Стимуляція гіпоталамуса ввела мишей в заціпеніння

У гіпоталамусі ссавців, які не впадають у сплячку, знайшли нейрони, активація яких уповільнює обмін речовин на термін до двох діб, повідомляється в двох статтях незалежних груп вчених (1, 2) в. Ймовірно, структури, що забезпечують гібернацію у звірів, з'явилися давно і в якомусь вигляді збереглися навіть у тих, хто їй не користується. Можлива практична користь цих досліджень у тому, що «нейрони сплячки» можна буде активувати в потрібний момент і за рахунок цього уповільнити пошкодження тканин або довше зберегти донорські органи.

Ендотермні тварини велику кількість енергії витрачають на те, щоб підтримувати температуру тіла постійною. Чим організм мельче, тим складніше це робити, оскільки більше відносні тепловтрати. У холодну пору року і (або) при нестачі їжі підтримувати потрібну температуру тіла стає складніше. Один із способів пережити несприятливі періоди - уповільнити обмін речовин: їсти менше і виділяти менше тепла. При цьому не вийде рухатися так само інтенсивно, як зазвичай, тому тварина шукає притулок і проводить період спокою, лежачи в ньому.

Гібернація (сплячка; так називають тривалий період спокою у теплокровних тварин) - активний процес, тварина під час нього здатна регулювати температуру тіла, як і в звичайних умовах. Але що запускає гібернацію і дозволяє змінювати температуру під час неї, не дуже зрозуміло. Ясно, що в цьому бере участь центральна нервова система. Оскільки головні терморецептори розташовані в гіпоталамусі, ядро структур, що керують сплячкою, стали шукати там.

Відомо, що нейрони різних областей гіпоталамусу виділяють QRFP (це пептид). Їх активація або введення QRFP в бічні шлуночки мозку знижують температуру тіла і рухову активність мишей, що характерно для гібернації. Однак не було зрозуміло, які саме виробляють пептид нейрони забезпечують сплячку і на які клітини вони діють в першу чергу.

Щоб з'ясувати це, нейробіологи з декількох японських інститутів на чолі з Такеші Сакураї (Takeshi Sakurai) вводили трансгенним мишам аденоассоційовані вірусні вектори з червоним флуоресцентним білком mCherry, що активуються поліпшеною Cre-рекомбіназою (iCre), в різні частини гіпоталамусу, де виробляються F, де Вироб, що працюють Qі У цих нейронах також знаходилися «дизайнерські рецептори», які взаємодіють тільки зі штучними створеними спеціально для них речовинами-лігандами. Вводячи в черевну порожнину мишей відповідні ліганди, дослідники активували виробляють QRFP і iCre нейрони, і останні на зрізах мозку було видно завдяки mCherry. Провели і серію оптогенетичних експериментів, де ті ж нейрони стимулювали світлом.

За активацією нейронів стежили електрофізіологічними методами, а температуру тіла мишей визначали за сенсорами, вшитими в черевну порожнину гризунів. Так дослідники визначали, які саме нейрони відповідають за уповільнення метаболізму у мишей (воно виражалося в падінні температури тіла і зниженні рухової активності). Взагалі кажучи, лабораторні миші не гібернують, але можуть впадати в короткочасний стан неактивності - торпор. Експерименти повторили і на щурах, у яких не буває ні сплячки, ні торпора.

Тим не менш, у обох видів гризунів стимуляція QRFP-нейронів медіальної преоптичної області та антеровентральних перивентрикулярних ядер гіпоталамусу призводила до того, що у тварин знижувалася температура тіла на термін до 48 годин, а разом з нею швидкість метаболізму і рухова активність. Цей стан за своїми властивостями був схожий на торпор. Розтин тварин показав, що кілька годин уповільненого обміну речовин не завдавали шкоди внутрішнім органам. Поведінка щурів і мишей після заціпеніння теж істотно не змінювалася.

Коли нейрони, які виробляють QRFP і при цьому уповільнюють метаболізм (їх назвали коротко Q-нейронами), змусили виробляти зелений флуоресцентний білок, стало зрозуміло, до яких клітин вони тягнуть аксони, - до нейронів дорсомедіального гіпоталамуса. Періодична оптогенетична активація цих аксонів призвела до того, що температура тіла тварин знизилася на кілька годин. Експерименти з вибірковим блокуванням Q-нейронів показали, що серед них є як збуджувальні (виділяють глутамат), так і гальмівні (виділяють гамма-аміномасляну кислоту) клітини, і навіть такі, що діють двояко (виділяють обидва нейромедіатори). До подібних висновків прийшла група Майкла Грінберга (Michael Greenberg) з Гарвардської медичної школи.

Яку роль виконують Q-нейрони в нормальних фізіологічних умовах у тварин, не здатних до гібернації (миші) або навіть торпору (щури), поки незрозуміло. Ймовірно, вони забезпечують швидке зниження температури тіла. Але якщо з їх допомогою вдалося досягти багатогодинного стану заціпеніння у гризунів, які до нього не схильні, то можна вважати, що вибіркова маніпуляція такими нейронами дозволить уповільнити метаболізм і у представників інших видів, у тому числі людини. А при низькій швидкості обміну речовин тканини та органи довше зберігаються в початковому стані. Таким чином, індуковане заціпеніння можна використовувати, щоб збільшити «термін придатності» донорських органів.

Ми писали про зимову сплячку та інші варіанти періодів спокою у тварин в матеріалі «Відморозки». Ссавці, особливо дрібні, часто перечікують несприятливі умови, знижуючи інтенсивність метаболізму. Птахи так майже ніколи не роблять: їм легше змінити локацію і полетіти туди, де тепліше і більше корму. Єдиний виняток - американський білогорлий кізодою. Хоча він здатний здійснювати перельоти, в деяких частинах ареалу кізодою на тижні входить у стан, близький до сплячки. До списку птахів може приєднатися скелястий новозеландський крапивник: у квітні 2020 вийшла стаття, автори якої припускають, що він теж впадає в сплячку.