В минувшем году исследователи в области нейронаук совершили важные открытия, связанные с тем, как нейродегенерация поражает человеческий мозг, подключили культивируемые нейроны к механизмам, чтобы научить их играть в видеоигры, обнаружили новую, четвертую, оболочку мозга и сделали еще многое другое.
Есть ли эмоции у беспозвоночных?
Британские ученые проанализировали порядка 300 научных работ, посвященных головоногим (осьминоги, кальмары, каракатицы) и десятиногим (крабы, омары, раки), и пришли к выводу о разумности этих существ и их способности испытывать боль и страдание. В отчете рассматривались такие аспекты, как поведение, способность к обучению, связь мозга и болевых рецепторов, реакция на анестетики/анальгетики. Теперь к беспозвоночным начнут применять другие правила транспортировки и умерщвления. К примеру, их запретят варить заживо.
Нейроны в чашке Петри играют в видеоигры
Отдельные нейроны — а не целый мозг — способны обучаться, утверждается в исследовании, опубликованном в журнале Neuron в октябре 2022 года.
Ученые из биотехнологической компании Cortical Labs (Мельбурн, Австралия) объединили нейроны с электродами в систему, которую назвали DishBrain — «мозг в чашке», а затем научили ее играть в компьютерную игру-симулятор настольного тенниса.
Выяснилось, что клетки «мозга в чашке» могут проявлять врожденный интеллект и изменять свое поведение. Эксперты рассматривают DishBrain, обучающий нейроны игре, стимулируя их связями, способствующими прохождению или блокирующими входные сигналы в зависимости от того, попали они по мячу либо промахнулись, как доказательство того, что биологические нейроны следует изучать для лучшего понимания интеллекта и его виртуального воссоздания.
Исследователи задаются множеством вопросов: может ли это открытие стать новым способом осмысления того, что такое нейроны, и если нейроны — готовый биоматериал для интеллекта, нужен ли в таком случае искусственный интеллект и стоит ли пытаться имитировать то, что и так можно непосредственно использовать?
Поврежденные при деменции нейроны распознают прерывание паттернов
Исследование, опубликованное в марте 2022 года в Journal of Neuroscience, выявило сеть нейронов, которая, будучи нарушенной, ухудшает адаптацию к новым условиям при нескольких типах деменции.
Понимание болезни Альцгеймера и деменции остается главным приоритетом научного поиска для неврологов, цель которых — помочь людям, страдающим этими заболеваниями, жить более комфортно, а также отсрочить, предотвратить или вылечить симптомы у тех, у кого они могут развиться. Поэтому исследования, раскрывающие совершенно новые механизмы, с помощью которых нейродегенеративные заболевания нарушают работу мозга, всегда вызывают интерес.
В ходе эксперимента обнаружилось, что людям с деменцией труднее заметить отклонения от шаблона (в данном случае ритм и темп звукового сигнала), чем людям без этого заболевания. Ученые определили группу нейронов, отвечающих за способность замечать, когда шаблон нарушается, и выяснили, что они часто повреждаются и неправильно функционируют при различных формах деменции. Препараты, которые позволят настроить эту фундаментальную функцию мозга, могут помочь людям, страдающим от деменции, в их повседневной жизни.
Мыши помогли раскрыть мозговую цепь, стоящую за рвотой
Открытие может привести к разработке новых лекарств против тошноты. В исследовании, опубликованном в журнале Cell в ноябре 2022 года, ученые определили неврологический путь в оси «кишечник — мозг» мышей, который запускает рвоту, и это несмотря на забавный факт, что у мышей на самом деле невозможно вызвать рвоту вообще — грызунов никогда не тошнит. Однако исследователи смогли спровоцировать у мышей различные виды «рвотного» поведения и определили способ предотвратить возникновение связанных с тошнотой симптомов, что, по их мнению, может помочь онкобольным справиться с побочными эффектами химиотерапии.
Клетки глиобластомы имитируют незрелые нейроны
Нейроноподобные клетки глиобластомы являются пионерами распространения агрессивных опухолей в мозгу, способствуя их разрушительной инвазивности, показало исследование, опубликованное в журнале Cell в июле 2022 года.
Человеческий организм делает все возможное, чтобы защитить мозг: от физического ограничения доступа через гематоэнцефалический барьер до окружения нейронов специальными поддерживающими и иммунными клетками. И все же рак находит путь внутрь. Исследование помогает объяснить, как это происходит и к каким биологическим хитростям он при этом прибегает.
Оказалось, что клетки глиобластомы, инвазивного и неизлечимого рака, распространяются по мозгу, маскируясь под незрелые нейроны. Клетки, как показало исследование, даже получают синаптическую поддержку от существующих нейронов, которые способствуют дальнейшему росту и распространению таких «инкогнито»-опухолей.
Описана новая защитная оболочка мозга
Пожалуй, последняя научная новость минувшего года опубликована в журнале Science: помимо твердой, мягкой и паутинной оболочек мозга ученые из Копенгагенского и Рочестерского университетов предложили выделять мембрану, которая находится в подпаутинном пространстве, назвав ее SLYM (subarachnoid lymphatic-like membranе, или подпаутинная лимфатическая мембрана).
SLYM иммунофенотипически отличается от других менингеальных слоев в мозге человека, не пропускает молекулы тяжелее 3 кДа, эффективно разделяя субарахноидальное пространство на два функциональных отсека. SLYM является местом обитания большой популяции миелоидных клеток, число которых увеличивается в ответ на воспаление и старение, поэтому этот слой представляет собой нишу для врожденного иммунитета, идеально расположенную для наблюдения за спинномозговой жидкостью.
Тесное прилегание SLYM к эндотелиальной выстилке менингеального венозного синуса обеспечивает прямой обмен мелкими растворителями между спинномозговой жидкостью и венозной кровью. Функциональная характеристика SLYM дает фундаментальное представление об иммунных барьерах мозга и транспорте жидкости.
Ученые считают, что SLYM важно изучать в контексте развития заболеваний мозга. Так, исследователи заметили, что при воспалении и старении на мембране собирается больше различных иммунных клеток. При этом если SLYM повреждалась из-за травмы, то нарушение тока спинномозговой жидкости мешало работе глимфатической системы. Это также вело к попаданию в мозг извне иммунных клеток, которые не приспособлены к работе в этом органе. Нарушения в работе SLYM, как полагают исследователи, могут стать причиной инфекций мозга, рассеянного склероза, болезни Альцгеймера и т. д.
Исследователи рака в минувшем году раскрыли множество способов выживания и распространения опухолей — от повреждения собственной ДНК до использования близлежащей микросреды для получения питательных веществ.
Раковые клетки разрушают собственную ДНК, чтобы выжить после лучевой терапии
Опухолевые клетки развивают резистентность к различим видам лечения, в том числе к радиотерапии.
Исследование, опубликованное в журнале Science в апреле прошлого года, выявило один, казалось бы, нелогичный способ, с помощью которого опухоли могут выживать после радиотерапии и предотвращать распространение вызванных радиацией повреждений ДНК на новые поколения клеток: они самостоятельно повреждают свою ДНК (с помощью эндогенной нуклеазы CAD), что не позволяет им начать митоз.
Исследователи пришли к выводу, что эти самоповреждения ДНК служат своего рода обманкой — пока раковая клетка занята восстановлением внутреннего беспорядка, она также должна успеть восстановить повреждения, вызванные радиацией, прежде чем продолжить размножение. Множественные эндогенные разрывы ДНК удерживают клетку в определенной точке, предотвращая преждевременный митоз. Клетки не торопясь «чинят» ДНК от значительных повреждений, возникших после облучения, и менее критичных, но многочисленных, индуцированных нуклеазой CAD.
Кстати, при дефиците CAD чувствительность опухолевых клеток к радиации увеличивалась: клетка начинала делиться с поврежденной ДНК и погибала. В будущем, считают исследователи, знание этого механизма поможет сделать радиотерапию более эффективной в уничтожении опухолей.
Физические упражнения помогают бороться с раком поджелудочной железы?
В июне 2022 года в журнале Cancer Cell опубликовано исследование, которое позволило определить по крайней мере один из биологических механизмов, лежащих в основе рака поджелудочной железы. В ходе серии экспериментов ученые обнаружили, что у мышей, которые бегали на миниатюрных дорожках по 30 минут в день, повышался уровень интерлейкина-15, цитокина, который обычно выделяется во время физических упражнений. Затем этот цитокин мобилизовал подгруппу убивающих рак иммунных клеток, которые смогли лучше проникать в опухоль и уничтожать ее.
В ходе предварительных испытаний на людях выяснилось, что образцы тканей, взятые у пациентов с раком поджелудочной железы, которые занимались физкультурой, содержали большее количество таких иммунных клеток по сравнению с контрольной группой без физической нагрузки. Авторы исследования выразили осторожный оптимизм по поводу того, что физические упражнения могут помочь улучшить методы лечения этого очень сложного и смертельно опасного рака.
Преодоление узких каналов помогает метастатическим клеткам выжить
Обычно, если клетку сдавливают слишком сильно, она погибает. Но у метастатической раковой клетки процесс протискивания через узкие каналы кровеносной системы может вызвать ряд мутаций, которые помогают клетке избежать запрограммированной смерти и одновременно уклониться от иммунной системы, согласно результатам исследований in vitro и на мышах, опубликованным в журнале eLife в марте минувшего года.
В эксперименте ядра клеток не разрывались, когда клетки протискивались через узкий канал, делая их восприимчивыми к различным мутациям. В целом этот набор изменений помог мигрирующему раку выжить при метастазировании, которое на самом деле является рискованным путешествием для клеток. Однако пока неясно, происходит ли этот же процесс у людей, поскольку в мышиной модели отсутствовал иммунный ответ, а искусственные каналы в экспериментах in vitro были всего лишь моделями человеческих кровеносных сосудов.
Раковые клетки «набирают скорость» в более густых жидкостях
В прошлом году ряд исследователей сосредоточили свои усилия на понимании того, как раковые клетки взаимодействуют с окружающей средой. Одним из результатов стало открытие, описанное в ноябре 2022-го в журнале Nature: метастазирующие раковые клетки быстрее перемещаются в жидкостях с уровнем вязкости, более похожим на вязкость биологических жидкостей, чем в менее вязкой воде.
В ходе исследования ученые обнаружили, что раковые клетки могут перестраивать свою актиновую архитектуру таким образом, чтобы легче проходить через более густые жидкости, вбирая воду спереди и выбрасывая ее сзади наподобие реактивной струи. Авторы полагают, что воздействие на путь, ответственный за эти изменения, — в частности, на ионный канал TRPV4 — потенциально может привести к поиску новых способов предотвращения метастазирования опухолей.
Рак полости рта выживает с помощью близлежащих нервов
Как рак, печально известный своей прожорливостью и бесконечной потребностью в глюкозе, выживает после того, как истощается местное микроокружение? В случае плоскоклеточной карциномы, поражающей слизистую оболочку полости рта, язык, десны и губы, голодная опухоль заказывает «доставку» из сети близлежащих нервов, согласно исследованию, опубликованному в журнале Cell Metabolism в ноябре прошлого года.
В обмен на фактор роста, который опухоли выделяют для стимулирования роста нервов, чувствующих боль и расположенных ближе к ним, нервы выделяют соединение, которое запускает механизм выживания рака, называемый цитопротекторной аутофагией. Это позволяет раковым клеткам лучше противостоять гибели в условиях голодания, а также повышает устойчивость рака к химиотерапевтическим препаратам и радиотерапии.
Хаос в хромосомах способствует распространению рака
Биолог-онколог из Мемориального онкологического центра имени Слоуна — Кеттеринга в Нью-Йорке Самуэль Бахум является автором статьи в The Scientist о том, как крупномасштабные структурные изменения в хромосомах могут способствовать распространению рака независимо от каких-либо конкретных мутаций либо генетических изменений, приобретаемых раковой клеткой.
Основываясь на анализе многочисленных исследований, в том числе своих собственных, Самуэль Бахум объясняет, как прогрессирующая хромосомная нестабильность, возникающая в результате постоянной перестановки, разрыва или слияния хромосом во время репликации клеток, приводит к высокому уровню гетерогенности внутри опухоли, что делает целевые методы лечения менее эффективными.
По словам эксперта, «выявление целевых путей, связанных с хромосомной нестабильностью, очень интересно, поскольку создает возможность терапевтического вмешательства для борьбы с той особенностью рака, которая до сих пор считалась не поддающейся лечению».
Множество научных публикаций по генетике подчеркивают расширяющуюся универсальность генетических методов и растущую полезность таких исследований во всех областях науки о жизни.
Крупные научные коллаборации завершают геном человека
Первый черновой вариант последовательности генома человека, ставший кульминацией более чем десятилетия научных усилий, был опубликован еще 20 лет назад. Но только сейчас у исследователей наконец-то появились инструменты для секвенирования и вычислений, необходимые для того, чтобы разобраться со сложными, повторяющимися последовательностями, которые были исключены из этого проекта (а это как минимум 8 % генома, или примерно 151 млн пар оснований, разбросанных по всему геному).
Упущенные области включали почти идентичные повторяющиеся участки, содержащие функциональные гены, а также центромеры и теломеры — участки в середине и на концах хромосом. Эти области содержат длинные серии повторяющихся последовательностей. Именно эти недостающие данные не позволили ученым полностью понять генетическую основу многих признаков и заболеваний.
В апреле минувшего года международная группа ученых, работающих в рамках проекта «Геном человека», декодировала последние 8 нерасшифрованных процентов, пишут Science и Nature Methods. В новых данных были таинственные участки некодирующей ДНК: они не становятся шаблонами для белков, но все же играют решающую роль во многих клеточных функциях.
В частности, они могут лежать в основе состояний, при которых клеточное деление выходит из-под контроля (так появляется раковая опухоль). Ученые уверены, что полное представление о геноме центромер может открыть двери для новых методов лечения онкологических состояний.
Бум древней ДНК заостряет вопрос об этике исследований
Шведский палеогенетик Сванте Пяэбо в минувшем году был удостоен Нобелевской премии за открытия, касающиеся геномов вымерших гоминидов и эволюции человека. Изучение древней ДНК стало настоящим прорывом в последнее десятилетие, поскольку достижения в области секвенирования превратили задачи, которые еще недавно считались невыполнимыми — от секвенирования целых геномов до получения учеными информации по молекулам, возраст которых превышает 2 млн лет, — в реальность.
Но многие исследователи, работающие в этой научной сфере, обеспокоены тем, что этические принципы, призванные держать ученых в узде, не поспевают за стремительно развивающимися технологиями. Все больше исследований характеризуются как эксплуатационные, что заставляет ставить под сомнение существующие этические нормы и поднимает злободневные вопросы их пересмотра, сообщает The Scientist.
Горизонтальный перенос генов происходит чаще, чем думали ранее
Одно из многих открытий, полученных благодаря все более доступному секвенированию целых геномов, заключается в том, что барьер между геномами различных видов гораздо менее прочен, чем это совсем недавно представлялось ученым.
Хотя латеральный перенос ДНК у животных, растений, грибов и протистов происходит гораздо реже, чем у бактерий, сам факт того, что он существует, уже неопровержим. И такой горизонтальный перенос генов может оказывать заметное влияние на эволюцию. Ученые считают, что, вполне вероятно, всего один перенос мог оказать огромное влияние на жизнеспособность некоторых видов.
Эпигенетическая наследственность заслуживает более пристального внимания
На сегодняшний день основная часть генетических исследований сосредоточена на последовательностях ДНК. Но трехбуквенный аминокислотный код (одной аминокислоте соответствуют 3 нуклеотида) — это не единственный язык генома: все больше и больше генетиков приходят к выводу, что эпигенетические инструкции играют важную роль в эволюции и возникновении болезней.
Однако вопрос о том, передаются ли эти инструкции из поколения в поколение, остается предметом жарких споров. Некоторые ученые утверждают, что негативные воздействия и переживания в жизни человека могут подстегнуть эпигенетические изменения, которые наследуются следующими поколениями, создавая вредный эффект пульсации. Других не убеждают имеющиеся в настоящее время доказательства, и они говорят, что для таких серьезных заявлений необходимо гораздо больше данных.
Какая бы сторона ни была права, определение того, как эпигенетика формирует фенотипы и их наследуемость, несомненно, будет способствовать более глубокому пониманию природы здоровья и заболеваний человека.