Вспышки света заменили медитацию для клеток мозга
Низкочастотная оптическая стимуляция мозга усиливает связность между его отделами и стимулирует выработку миелина, что снижает тревожность и по влиянию на поведение напоминает медитацию. К таким выводам пришли исследователи из Университета Орегона, которые установили, что обучение и опыт действительно могут изменять состояние белого вещества на клеточном уровне. Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Обучение новым навыкам — сложный процесс, и когда ученые стали исследовать, что происходит в этом время в мозге, они обнаружили перестройку и «оптимизацию» белого вещества — нейронных трактов, которые проводят импульсы от одной зоны мозга к другой. Это видно, например, при диффузионно-тензорной томографии (DTI), которая измеряет плотность и направление потока протонов по тракту. Схожие изменения в мозге наблюдаются при медитации. В одной из предыдущих работ авторы сообщали, что 2-4 недели (по 30 минут в день) интегративных тренировок тела и разума (integrated body mind training, IBMT) привели к изменениям в белом веществе, регистрирующимся на DTI, причем, особенно — в области передней поясной коры. IBMT как форму медитации даже связали с улучшением памяти и внимания и снижением раздражительности.
Исследователи предположили, что изменения в белом веществе при этом можно объяснить более частыми тета-ритмами (4-8 Гц), регистрирующимися в среднефронтальных областях коры, которые связаны с активацией метаболизма в передней поясной коре. К тому же любой познавательный процесс заставляет олигодендроциты (глиальные клетки) более активно образовывать «изолирующие» миелиновые оболочки вокруг аксонов, которые оптимизируют скорость проведения нервных импульсов по трактам. То есть, по сути, активность нейронов определяется олигодендроцитами, которые дают «указания» на селективное миелинирование активной нейронной цепи. А чем чаще «бегает» по ней сигнал, тем толще там миелин и крепче приобретаемый нами навык.
Пытаясь выяснить механизмы, связанные с тем, как регулируется процесс миелинизации, научная группа во главе с Кристофером Нилом (Cristopher Niell) воспользовалась оптогенетическими методами и внедрила в мембрану клеток передней поясной извилины мышей светочувствительные каналы, которые под воздействием света могли как вызывать потенциал действия (Channelrhodopsin-2, ChR2), так и подавлять активность нейрона (Archaerhodopsin, Arch).
Согласно предыдущей статье, оказалось, что у мышей, которых стимулировали вспышками света с частотой 1 и 8 герца, нейроны передней поясной извилины синхронизировались, а на уровне поведения это проявлялось большей любознательностью и более частыми выходами в область света в светло-темной камере (хотя мыши света избегают), что было напрямую связано с меньшим уровнем беспокойства животных. Поэтому авторы сделали вывод, что их данные согласуются с эффектами от IBMT и что низкочастотная оптическая стимуляция может симулировать некоторые поведенческие проявления медитации.
В новом исследовании ученые описали наблюдаемый феномен на клеточном и ультраструктурном уровне. Они выяснили, что если стимулировать переднюю поясную кору в тета-диапазоне (4-8 герц), то можно усилить пролиферацию и дифференцировку олигодендроцитов, а, следовательно, увеличивать образование миелина, что достоверно регистрировалось с помощью электронной микроскопии.
Авторы увидели, что миелиновая оболочка нервных трактов стала более толстой именно в мозолистом теле — области плотно расположенных волокон белого вещества, соединяющих полушария между собой. Эти волокна берут свое начало как раз в поясной извилине, где расположены тела самих нейронов, и сквозь них проходит информация совершенно любого порядка (моторная, сенсорная, когнитивная).
Исследователи полагают, что нескольких сеансов ритмической низкочастотной стимуляции передней поясной извилины будет достаточно для того, чтобы изменить силу связей между двумя полушариями и, возможно, подействовать на белое вещество аналогично медитации. Конечно, при этом нужно выбирать неинвазивные методы воздействия на мозг (например, электрическая или магнитная стимуляция). Эффективность такой стимуляции даже можно повысить, если сопровождать ее заданиями, активирующими одни и те же области мозга, и это приведет к новым методам восстановления или «прокачки» белого вещества и связей между нейронами.
Кстати, электростимуляция уже делала людей более честными, улучшала память и помогала отстающим детям осваивать математику.
Это облегчило симптомы поражения мышц и нервов
Выращивание дрозофил с дефектом первого комплекса дыхательной цепи в среде с комбинацией 5-аминолевулиновой кислоты, гидрохлорида и железа натрия цитрата (5-ALA-HCl + SFC) увеличивает выработку АТФ за счет повышения активности второго и четвертого дыхательных комплексов. Активность первого комплекса при этом не меняется. Кроме того, у дрозофил снижалось накопление лактата и пирувата, которое происходит при дефекте первого комплекса, что, по-видимому, облегчало симптомы поражения мышц и нервов. Исследование опубликовано в Human Molecular Genetics. В митохондриях происходит окислительное фосфорилирование — многоэтапный процесс, в ходе которого окисляются восстановительные эквиваленты — восстановленные никотинамидадениндинуклеотид (НАДН) и флавинадениндинуклеотид (ФАДН2), — и вырабатывается АТФ. Происходит последовательный перенос электронов по дыхательной цепи — группе дыхательных ферментов в мембране митохондрии. Всего в цепи участвует пять комплексов дыхательных ферментов. Нарушение переноса электронов по дыхательной цепи сопровождается снижением выработки АТФ и вызывает митохондриальные заболевания. Наиболее часто «ломается» первый комплекс — НАДН-КоQ-оксидоредуктаза, или НАДН-дегидрогеназа. Его дефицит поражает органы и ткани с высокими энергетическими потребностями, таких как мозг, сердце, печень и скелетные мышцы. Обычно это проявляется тяжелыми неврологическими синдромами: например, наследственная оптическая нейропатия Лебера, синдром MELAS или синдром MERRF. Хотя первый комплекс отвечает за поступление наибольшего количества электронов в дыхательную цепь, второй комплекс — ФАД-зависимые дегидрогеназы, — работая параллельно с первым, также отвечает за вход электронов в цепь, передавая их, как и первый комплекс на убихинон (коэнзим Q). Потенциально повышение активности второго комплекса могло бы нивелировать снижение активности первого. Поскольку второй, третий и четвертый дыхательные комплексы и цитохром с содержат гемовые структуры, команда ученых под руководством Канаэ Андо (Kanae Ando) из Токийского столичного университета решили проверить, насколько эффективно будет применение предшественника гема 5-аминолевулиновой кислоты для повышения активности этих комплексов и восстановления синтеза АТФ у дрозофил с дефектом первого комплекса. Сначала ученые отключили у дрозофил ген, гомологичный NDUFAF6 и ответственный за экспрессию одного из регуляторных белков первого комплекса. У таких дрозофил мышцы были тоньше, хрупче и иннервировались хуже, чем у насекомых без нокдауна гена. Кроме того, самцы с неработающим геном погибали намного быстрее самок, и у них развивались более грубые нарушения опорно-двигательного аппарата. Затем ученые проанализировали как нокдаун гена первого комплекса влияет на экспрессию и активность других комплексов. Выяснилось, что нокдаун увеличивает экспрессию генов третьего и пятого комплексов, и снижает — четвертого. При этом активность второго и четвертого комплекса значительно повышалась после нокдауна у самок дрозофил. Ученые не обнаружили нарушений в процессах утилизации активных форм кислорода, однако у дрозофил обоих полов без работающего гена первого комплекса накапливался лактат и пируват. Чтобы проверить влияние комплекса 5-аминолевулиновой кислоты, гидрохлорида и железа натрия цитрата (5-ALA-HCl + SFC) на митохондрии дрозофил с нокаутированным геном, их выращивали в среде, содержащей этот комплекс. Такое воздействие значительно повышало уровни АТФ у самцов и самок дрозофил, при этом количество копий митохондриальной ДНК не изменялось, то есть препарат не увеличивал количество митохондрий. Экспрессия и активность дефектного первого комплекса никак не изменились, а активность второго и четвертого комплексов выросли у самцов. В целом, повышенная экспрессия генов третьего комплекса и активность второго и четвертого комплексов смягчали дефектные фенотипы. Помимо этого 5-ALA-HCl + SFC снижало накопление лактата и пирувата у самцов и самок с нокдауном гена первого комплекса, что потенциально смягчает метаболические нарушения, вызванные дефицитом первого комплекса. У самцов и самок мух-дрозофил, которых лечили 5-ALA-HCl + SFC, наблюдалось меньше дефектов опорно-двигательного аппарата, а продолжительность их жизни значительно увеличилась. Ученые рассчитывают проверить эффект такого лечения на животных с более сложным строением, чтобы подтвердить универсальность такого подхода к лечению митохондриальных нарушений. Не всегда нужна мутация, чтобы нарушить работу дыхательной цепи. Недавно мы рассказывали про то, что большое количество натрия из потребляемой соли нарушает дыхательную цепь митохондрий в регуляторных Т-лимфоцитах. Это приводит к активации аутоиммунных процессов.