Ученые создали биологический «обходной путь» в мозге, который может повысить устойчивость к стрессу

Нарушенные или поврежденные связи между нейронами лежат в основе многих неврологических и психических расстройств. Обычно такие состояния пытаются корректировать с помощью лекарств, длительной терапии, электрической стимуляции или других методов воздействия на мозг. Однако ученые из Медицинской школы Университета Дьюка предложили принципиально иной подход: не восстанавливать поврежденные соединения напрямую, а создавать для них новый биологический «обходной путь».

Исследовательская группа под руководством доктора медицины и философии Кафуи Дзирасы разработала технологию LinCx. Она позволяет формировать новые электрические связи между заранее выбранными нейронами. В отличие от существующих методов, которые часто воздействуют сразу на большие группы клеток, LinCx дает возможность менять работу конкретных мозговых цепей более точно и надолго.

Исследование опубликовано в журнале Nature. По словам Дзирасы, новая технология открывает путь к более точному «редактированию» мозговых цепей и помогает лучше понять, как нейронные сети формируют поведение.

«Создав способ подключать новые электрические соединения с точностью до уровня отдельных клеток, наше исследование делает важный шаг вперед в способности редактировать мозговые цепи и понимать, как нейронные сети порождают поведение», — отметил ученый.

Суть метода заключается не в том, чтобы ремонтировать поврежденные синапсы — места контакта между нейронами, — а в том, чтобы установить дополнительную электрическую связь между определенными клетками. Такой «байпас» усиливает коммуникацию внутри нужной нейронной цепи, не изменяя напрямую уже существующие соединения.

Технология основана на белках, которые изначально были обнаружены у рыб. В природе эти белки участвуют в формировании электрических синапсов — особого типа связи, при котором сигнал между клетками передается напрямую и очень быстро. С помощью белковой инженерии ученые изменили эти молекулы так, чтобы они соединялись только со специально подобранным партнером и не взаимодействовали с естественными белками мозга.

Для отбора наиболее подходящих белковых пар исследователи провели лабораторный скрининг. В том числе они использовали новый тест на основе флуоресценции, который позволил определить, какие пары обладают высокой специфичностью и надежно проводят электрические сигналы между клетками.

Работу системы проверили на двух моделях — у червей и у мышей. В экспериментах с червями добавление новых нейронных соединений изменяло их поведение, связанное с поиском определенной температуры. Это показало, что искусственно созданные связи способны влиять на работу нервной системы и поведенческие реакции.

У мышей результаты оказались еще более значимыми. Целенаправленное создание электрических соединений усиливало связь внутри выбранных мозговых цепей, меняло общие паттерны активности мозга и приводило к измеримым изменениям поведения. В частности, ученые наблюдали влияние на социальное взаимодействие и реакции на стресс.

Это особенно важно, поскольку стрессовая устойчивость и социальное поведение связаны с работой сложных нейронных сетей. При различных психических и неврологических нарушениях такие сети могут работать неправильно: одни связи оказываются слишком слабыми, другие — чрезмерно активными, а часть сигналов передается неэффективно. Возможность создать новый точный канал связи между нужными клетками может стать новым направлением терапии.

По словам Дзирасы, на протяжении десятилетий нейронауке не хватало инструментов, которые позволяли бы управлять коммуникацией между конкретными типами клеток с высокой точностью. Лекарства обычно воздействуют на большие системы организма, электрическая стимуляция затрагивает широкие зоны мозга, а оптогенетика требует внешнего светового воздействия и тоже имеет свои ограничения.

Ранее ученые уже пытались использовать электрические синапсы для изменения работы нейронных цепей, но такие методы часто приводили к нежелательным соединениям. LinCx, как утверждают авторы работы, помогает преодолеть эту проблему: технология рассчитана на то, чтобы создавать связи только между заранее выбранными клетками.

В перспективе такой подход может оказаться полезным при состояниях, связанных с нарушением нейронных цепей, включая некоторые формы депрессии, тревожных расстройств, расстройств социального поведения и других заболеваний мозга. Пока речь идет о фундаментальных исследованиях на животных моделях, поэтому до клинического применения у людей еще далеко. Однако сама идея — не просто подавлять симптомы лекарствами, а перестраивать работу конкретных мозговых сетей — выглядит многообещающей.

Следующим этапом, по словам Дзирасы, станет проверка того, сможет ли LinCx компенсировать нарушения синаптической связи, вызванные пожизненными генетическими сбоями.

«Далее мы проверим, достаточно ли мощна LinCx, чтобы преодолеть синаптические дефициты, вызванные генетическими нарушениями, действующими на протяжении всей жизни», — сообщил исследователь.

Если технология подтвердит свою эффективность в дальнейших испытаниях, она может стать основой для нового поколения методов лечения, направленных на точное восстановление или перенастройку мозговых цепей. Это не замена всем существующим подходам, но потенциально важное дополнение к ним — особенно там, где лекарства и стимуляция мозга дают ограниченный результат.