Содержание
Международная группа исследователей из Парижского института мозга и университетской больницы Сент-Жюстин впервые в истории детально описала, как сосудистая система мозга формируется от первых дней жизни до взрослого состояния. Используя трёхмерный цифровой атлас Lambada и технологии «прозрачного мозга», учёные показали, что вопреки прежним представлениям рост сосудов идёт не равномерно, а в три чётко различимых этапа, каждый из которых тесно связан с созреванием нервных цепей. Результаты опубликованы в журнале Cell, и они меняют само представление о том, что считать «нормальным» развитием мозговых сосудов.
Шесть лет работы и атлас на 300 метров капилляров
Команда учёных поставила перед собой задачу, которую раньше никто не решал: проследить судьбу каждого сосуда в развивающемся мозге. Для этого исследователи применили химическую методику iDISCO+, которая делает ткань мозга буквально прозрачной. Метод был разработан той же группой ещё в 2014 году и основан на удалении из ткани липидов и подгонке коэффициента преломления так, чтобы свет беспрепятственно проходил сквозь весь орган. После этого включается световая листовая микроскопия — техника, при которой образец сканируется тонким лазерным лучом, что позволяет получать трёхмерное изображение сосудов вплоть до отдельных капилляров.
В общей сложности было выполнено более 50 полных реконструкций сосудистого русла на девяти стадиях развития — от третьих суток после рождения (D3) до шестидесятых (D60), что у мыши соответствует молодому взрослому животному.
Картирование целого мозга с такой высокой разрешающей способностью на столь подробной временной шкале было настоящим технологическим вызовом, который занял у учёных шесть лет. Цифры впечатляют: при рождении общая длина сосудистой сети в мозге мыши составляет около 40 метров, а к подростковому возрасту достигает 300.
Готовый атлас получил название Lambada — Lightsheet-Aligned Mouse Brain Annotated Developmental Atlas. Он находится в открытом доступе и позволяет лабораториям по всему миру изучать развивающийся мозг в формате 3D. К анатомическим данным прикреплены результаты пространственной транскриптомики — метода, который измеряет активность тысяч генов прямо внутри ткани, а не в выделенных клетках.
Почему именно мышь
Выбор объекта исследования был принципиальным. Мозг новорождённой мыши крайне незрел и в ряде особенностей напоминает мозг человеческого плода. Первые две недели постнатального развития грызуна моделируют последний триместр беременности у человека. А последующие три недели вмещают в себя то, что у нас занимает примерно пятнадцать лет — от позднего внутриутробного периода до подросткового возраста. Такая «спрессованная» временная шкала позволяет наблюдать за процессами, которые у человека растянулись бы на годы.
Это удобно для науки, но создаёт и определённую сложность интерпретации: переносить выводы напрямую на людей нужно с осторожностью. Тем не менее основные молекулярные механизмы у млекопитающих сходны, и большая часть открытых закономерностей с большой вероятностью работает и у нас.
Первая фаза
В первую неделю после рождения сосуды растут так же, как растёт сам мозг — пропорционально и однородно по всем его областям. Это похоже на строительные леса вокруг здания: они расширяются вместе с ним, не имея пока «любимых» зон. Главным дирижёром на этом этапе выступает фактор роста VEGF-A — белок, который сигнализирует эндотелиальным клеткам, что пора делиться, мигрировать и формировать новые капиллярные веточки.
VEGF-A давно известен как ключевой регулятор ангиогенеза — процесса образования новых сосудов из уже существующих. Его выделяют незрелые нервные клетки и астроциты в ответ на потребность ткани в кислороде. Чем активнее метаболизм участка мозга, тем больше VEGF-A он производит, и тем плотнее становится локальная сеть капилляров. На этом этапе вся сосудистая система ещё «глупая» — она просто следует за общим увеличением объёма ткани и пока не различает функциональных особенностей разных отделов.
Вторая фаза
Со второй недели начинается самое интересное: сосуды перестают расти равномерно и начинают по-разному развиваться в разных частях мозга. Этот период совпадает с моментом, когда мышонок впервые открывает глаза, у него вырастают и становятся чувствительными вибриссы, а слуховая система начинает воспринимать звуки. Иначе говоря, мозг впервые начинает получать настоящую информацию из внешнего мира.
В самые ранние стадии развития нейроны разряжаются спонтанными залпами, которые не несут никакой информации о внешнем мире. Позже наблюдается структурированная активность, связанная с тем, что животное реально воспринимает. Именно этот переход от «шумовой» активности к осмысленной совпадает у мышей с переключением с первой фазы развития сосудов на вторую.
В сенсорных областях коры — зрительной, слуховой, соматосенсорной — плотность капилляров резко возрастает. Эти зоны буквально «требуют» больше топлива, потому что в них формируются миллионы новых синапсов.
На этом этапе на сцену выходят другие молекулярные игроки. Если раньше всем заправлял VEGF-A, то теперь сосудами начинают управлять апелин и Wnt9a. Апелин — это короткий пептид, который выделяется как нейронами-предшественниками, так и самими растущими сосудами. Он связывается с рецептором APJ на эндотелиальных клетках и тонко настраивает поведение так называемых «верхушечных» клеток, которые ведут за собой растущий капилляр. Wnt9a относится к большому семейству Wnt-белков, играющих ключевую роль в формировании специфических для мозга свойств сосудов, в том числе гематоэнцефалического барьера.
Параллельно работают тормозящие сигналы. Белок Slit2 и ангиотензиноген блокируют избыточный рост сосудов там, где он не нужен. Без этих «тормозов» сеть стала бы разрастаться хаотично и неэффективно.
Третья фаза
К концу третьей недели сосудистое строительство завершается, и начинается «отделочный этап». Лишние, неиспользуемые ветви устраняются. Артерии достигают окончательной зрелости, формируется характерная для взрослого мозга архитектура. Этот процесс называют сосудистым прунингом — по аналогии с обрезкой избыточных нейронных связей, которая происходит в подростковом возрасте.
Главную роль в торможении дальнейшего роста играют астроциты — звёздчатые глиальные клетки, окружающие сосуды своими отростками. У взрослой мыши их отростки покрывают почти 99 % капилляров. Астроциты не просто механически охватывают сосуды: они активно влияют на их зрелость и помогают окончательно сформировать гематоэнцефалический барьер — фильтр, который отделяет кровь от мозговой ткани и пропускает только нужные вещества.
Параллельно с этим происходит созревание перицитов — клеток, плотно прилегающих к капиллярам снаружи. Они укрепляют стенки сосудов и стабилизируют их состояние. Снижение количества перицитов в развивающемся мозге, как известно из других исследований, связано с повышенной проницаемостью барьера и патологической васкуляризацией.
Когда эта фаза завершается, архитектура сосудистой сети практически перестаёт меняться. У взрослого животного она остаётся почти такой же, как сложилась к концу подросткового возраста.
Размышления
Описав три фазы, исследователи изучили их молекулярное окружение. Они сопоставили карты плотности сосудов с профилями экспрессии генов в каждом участке мозга. Получилась интегрированная система «педаль газа — тормоз». VEGF-A, апелин и Wnt9a включают рост там, где он необходим. Slit2 и ангиотензиноген — наоборот, гасят его там, где избыточная васкуляризация была бы вредна. Именно баланс этих молекул объясняет, почему разные области мозга устроены сосудисто по-разному и почему общая картина в итоге так точно подгоняется под нужды нейронных цепей.
Это и есть тот «нормальный» эталон развития, который раньше отсутствовал. Многие неврологические заболевания — от расстройств аутистического спектра до некоторых форм эпилепсии и цереброваскулярных патологий — связаны с тонкими нарушениями нейроваскулярного строительства. Чтобы понять, что именно идёт не так, нужно сначала точно знать, как должно идти. Атлас Lambada даёт исследователям такую систему координат: теперь любое отклонение от трёх описанных фаз можно зафиксировать и измерить.
