Выращенные в лаборатории «мини-мозги» помогают выяснить, почему черепно-мозговая травма повышает риск слабоумия. Даже легкие сотрясения могут «перепрограммировать» мозг, что может привести к долгосрочным симптомам. Сотрясения мозга повреждают «мост» между двумя половинами мозга.
Выращенные в лаборатории «мини-мозги» помогают выяснить, почему черепно-мозговая травма повышает риск слабоумия. Миниатюрные модели мозга помогают ученым изучать клеточные повреждения, вызванные черепно-мозговыми травмами.
Выращенные в лабораторных условиях мини-мозги могут помочь объяснить, почему сотрясения мозга и другие черепно-мозговые травмы (ЧМТ) повышают риск развития деменции у людей.
В новом исследовании, опубликованном 4 апреля 2024 года в журнале Cell Stem Cell, ученые сообщили о результатах эксперимента, в котором они облучали выращенные в лабораторных условиях модели человеческого мозга, известные как церебральные органоиды, ультразвуковыми волнами высокой интенсивности. Волны были предназначены для имитации повреждения клеток мозга, вызванного тяжелыми травматическими повреждениями мозга.
Исследование намекает на стратегию блокирования нисходящих эффектов черепно-мозговых травм, сообщили авторы исследования. Теоретически лечение может использоваться как профилактическая мера или терапия после травмы. Однако необходимо провести еще много исследований, прежде чем такое лечение можно будет использовать на людях.
Исследователи применили ультразвуковые импульсы к крошечным скоплениям нейронов, называемым мозговыми органоидами, чтобы имитировать черепно-мозговые травмы у людей. Джесси Лай, Ichida Lab
Органоиды мозга, использованные в исследовании, выглядели как скопления мозговых клеток размером с булавочную головку, а не как идеально уменьшенные версии человеческого мозга в натуральную величину. При этом органоиды охватывают аспекты биологии человека, которые трудно изучать на животных, например, на лабораторных мышах. Их также можно выращивать, чтобы включать определенные типы клеток из разных областей мозга, расположенных слоями, как в голове человека.
В этом исследовании ученые вырастили органоиды из клеток, собранных у здоровых доноров-людей и у людей с боковым амиотрофическим склерозом (БАС) или лобно-височной деменцией, двумя типами нейродегенеративных заболеваний. Ученые обнаружили, что мутации в гене под названием C9orf72 повышают риск обоих заболеваний, и в этом случае все доноры несли мутантную копию этого гена.
Клетки, собранные из каждой группы, были изменены в лаборатории таким образом, чтобы они превратились в стволовые клетки, которые затем можно было бы заставить вырасти в любой тип клеток. Исследователи обработали полученные органоиды ультразвуковыми импульсами, чтобы имитировать некоторые эффекты черепно-мозговой травмы, включая гибель клеток мозга и изменения в белке под названием тау, который участвует в болезни Альцгеймера.
Кроме того, команда увидела изменения в белке под названием TDP-43, который в прошлом был связан как с черепно-мозговыми травмами, так и со многими нейродегенеративными заболеваниями. Белок, обычно обнаруживаемый в ядре здоровых клеток, участвует в контроле того, как инструкции в ДНК используются для создания белков. Но при нейродегенеративных заболеваниях TDP-43 накапливается в скоплениях.
Органоид мозга с нейронами, отмеченными зеленым цветом. Джош Берлинд
Новое исследование предполагает, что после черепно-мозговой травмы неисправные белки TDP-43 повреждают и убивают клетки мозга. Одна из причин, по которой эти белки выходят из строя, может заключаться в том, что они вырвались из ядра, обнаружила команда.
Эти вредные изменения в TDP-43 были более распространены в органоидах, выращенных из клеток людей с БАС или деменцией, чем в органоидах от здоровых доноров. Это намекает на то, что из-за этого механизма ЧМТ могут быть особенно опасны для тех, у кого уже есть генетический риск деменции.
Затем команда отправилась на поиски способов предотвратить или обратить вспять травмы. «Затем мы проверили каждый ген в геноме человека, чтобы увидеть, сможем ли мы спасти эту травму, подавив любой отдельный ген», — сказал в своем заявлении старший автор Джастин Ичида, доцент кафедры биологии стволовых клеток и регенеративной медицины в Университете Южной Калифорнии.
Они обнаружили ген белка на поверхности клеток – KCNJ2, который при выключении обеспечивал защиту от последствий черепно-мозговых травм. Исследователи опробовали это на своих органоидах и на лабораторных мышах, обнаружив последовательные эффекты.
«Воздействие на KCNJ2 может снизить гибель нервных клеток после черепно-мозговой травмы», — сказал Ичида в другом заявлении. «Это может иметь потенциал как в качестве посттравматического лечения, так и в качестве профилактического лечения для спортсменов и других лиц с высоким риском черепно-мозговой травмы».
Но опять же, необходимы дополнительные исследования, чтобы перенести такое лечение с органоидов на людей.
Даже легкие сотрясения могут «перепрограммировать» мозг, что может привести к долгосрочным симптомам. После легкого сотрясения мозга части мозга могут стать «гиперсвязанными», и это может способствовать возникновению у пациентов длительных симптомов.
Даже легкие удары по голове могут вызвать долгосрочные проблемы, и теперь у исследователей есть идея, почему: связи в мозге могут измениться после легких сотрясений.
Предыдущие исследования предполагали, что даже легкие черепно-мозговые травмы (ЧМТ), которые не вызывают видимых структурных повреждений, могут вызывать симптомы, которые сохраняются более шести месяцев. Эти симптомы варьируются от проблем с концентрацией и усталостью до депрессии и тревожности.
Ребекка Вудроу, аспирантка отделения анестезиологии Кембриджского университета, и ее коллеги сообщают, что иногда сразу после легкой черепно-мозговой травмы может наблюдаться усиление связей в мозге, что может помочь предсказать и объяснить эти долгосрочные симптомы.
По оценкам, ежегодно в мире регистрируется 50 миллионов новых случаев черепно-мозговой травмы, и эта цифра растет. Эта тенденция побудила ученых запустить CENTER-TBI, финансируемый Европейским союзом проект, направленный на улучшение ухода за пациентами с черепно-мозговой травмой.
Недавнее исследование, опубликованное в феврале в журнале Brain, использовало данные CENTER-TBI и показало, что даже при легкой черепно-мозговой травме, при которой пациент, как ожидается, полностью выздоровеет в течение шести месяцев, проблемы часто сохраняются и после этого момента.
По словам Вудроу, первого автора исследования, несмотря на то, что для пациентов, находящихся в реанимации с черепно-мозговой травмой средней и тяжелой степени тяжести, доступны различные методы лечения, понимание легкой черепно-мозговой травмы и ее долгосрочных симптомов остается недостаточным. Лечение этих симптомов ограничено, и таким пациентам оказывается лишь незначительная поддержка.
Изменения в мозге, выявленные в ходе нового исследования, позволяют определить, у каких пациентов, скорее всего, будут наблюдаться долгосрочные симптомы, а также определить возможные цели для препаратов, которые могут способствовать выздоровлению.
Вудроу и его коллеги проанализировали данные 108 пациентов с ЧМТ и 76 контрольных лиц. Эти данные включали не только стандартные МРТ и КТ-сканы, которые показывают структуру мозга, но и функциональные МРТ (фМРТ), которые предоставляют данные о работе мозга и обычно не собираются при легкой ЧМТ. фМРТ выявляет регионы, в которых уровни активности синхронно изменяются, и которые затем считаются функционально связанными.
Набор данных CENTER-TBI уникален, поскольку, помимо сканирования мозга, он включает поведенческие данные, клинические результаты и биомаркеры, это делает возможным соотнесение функции мозга с наблюдаемым поведением.
Хотя КТ и стандартная МРТ не выявили структурных изменений в мозге пациентов с ЧМТ, фМРТ показала значительно более высокую связь между таламусом и остальной частью мозга по сравнению со здоровыми людьми.
Таламус часто описывается как «реле» мозга, потому что многие сигналы проходят через эту структуру, прежде чем будут переданы куда-то еще. Таламус участвует не только в первичных сенсорных функциях, таких как зрение и обоняние, но и в различных сложных функциях, которые активируют несколько областей мозга одновременно, например, в концентрации, сказал Вудроу.
Возможно, мозг адаптируется к травме в других областях мозга, увеличивая их связи с таламусом. Вудроу указал, что расположение таламуса в центре мозга также делает его уязвимым к травмам от ударов, независимо от направления, поэтому увеличение связей также может быть ответом на прямую травму таламуса.
Повышение связности в мозге уже было выявлено при умеренной и тяжелой черепно-мозговой травме, и в своем новом исследовании авторы отметили, что несколько предыдущих исследований «подтверждают эту гипотезу адаптивной гиперсвязности».
При легкой черепно-мозговой травме считалось, что такие эффекты гиперсвязности могут быть гораздо тоньше, чем те, что наблюдаются при тяжелой черепно-мозговой травме, и не сильно отличаться от различных уровней связности, обычно наблюдаемых у разных людей. В прошлых исследованиях фМРТ легких травм использовались небольшие выборки размером около 20–40 человек, что ограничивало их способность определять тенденцию выше базового шума. Текущее исследование включает «самую большую выборку, изученную с помощью функциональной МРТ в состоянии покоя при легкой травме».
Исследование показало, что не только возможно определить изменения в связях после легкой черепно-мозговой травмы, но и что регионы, где эта гиперсвязность наиболее выражена, коррелируют с определенными типами симптомов, такими как эмоциональные или когнитивные. Эти изменения в связях также коррелируют с концентрацией химических мессенджеров или «нейротрансмиттеров» в этих регионах мозга. Авторы исследования предполагают, что модуляция этих нейротрансмиттеров может стать плодотворной целью для разработки лекарств для лечения легкой черепно-мозговой травмы.
Далее исследователи планируют изучить последствия повторяющихся сотрясений мозга , которые часто наблюдаются в спорте, чтобы выяснить, имеет ли черепно-мозговая травма кумулятивный эффект, который может сделать последствия сотрясения мозга все более серьезными с каждым ударом по голове.
Сотрясения мозга повреждают «мост» между двумя половинами мозга. После сотрясения мозга мост между двумя половинами мозга кардинально меняется.
Согласно новому исследованию, сильный удар по голове может буквально заставить мозг подпрыгивать внутри черепа, и вся эта тряска может повредить мозг таким образом, что нарушится поток информации из одной половины органа в другую.
Исследование было сосредоточено на плотном пучке нервных волокон, известном как мозолистое тело, которое обычно служит в качестве проводника для связи левого и правого полушарий мозга. Но эти перекрещивающиеся провода могут получить серьезные повреждения, если мозг внезапно скручивается или ударяется о череп, что приводит к легкой черепно-мозговой травме — иначе известной как сотрясение мозга.
Недавние исследования показывают, что сотрясения сотрясают мозолистое тело сильнее, чем любую другую структуру мозга, но ученые не знают точно, как полученные травмы могут повлиять на функцию мозга. Теперь новое исследование определило, как травма, вызванная сотрясением, сбивает мозговую активность с ее нормального курса.
Чтобы увидеть, как изменяется функция мозга после сотрясения, соавтор исследования доктор Мелани Вегенер, врач-ординатор в New York University Langone Health, и ее коллеги использовали сканирование мозга, чтобы заглянуть в черепа 36 пациентов, которые получили легкую черепно-мозговую травму менее четырех недель назад, а также 27 дополнительных участников без черепно-мозговой травмы. Используя технику, называемую «диффузионная МРТ», исследователи изучили, как молекулы воды перемещаются внутри и вокруг нервных волокон в головах участников.
В отличие от свободно плавающих молекул воды в стакане, которые хаотично перемещаются по своему контейнеру, вода в мозге имеет тенденцию перемещаться быстрее вдоль пучков нервных волокон, ориентированных в одном направлении, согласно учебнику Guide to Research Techniques in Neuroscience (Academic Press, 2010). Диффузионная МРТ позволяет ученым картировать эти мозговые водные пути в мельчайших подробностях и на основе этих данных делать выводы о положении, размере и плотности отдельных нервных волокон, которые переплетаются и извиваются через мозг.
После того, как Вегенер и ее соавторы сделали снимки мозга участников, они бросили вызов и группе сотрясения, и контрольной группе, проведя сложный тест. Сначала участники сосредоточили свое внимание на экране с «X» в центре; затем слева или справа от X появлялось трехбуквенное слово. Участники должны были произнести слово вслух как можно быстрее, прежде чем перейти к следующему раунду.
Изображение МРТ пациента с легкой травмой мозга, на котором видны нервные волокна мозолистого тела, области, которая помогает двум половинам мозга «разговаривать» друг с другом. Эти волокна могут быть повреждены после сотрясения мозга. M. Wegener et al., Radiological Society of North America
Кажется, все просто, но есть одна загвоздка.
У большинства людей левая сторона мозга служит основным центром обработки языка, а это означает, что написанные слова должны быть подключены к левому полушарию, прежде чем мы сможем прочитать их вслух. Этот процесс легко разворачивается, когда слова появляются перед правым глазом, который направляет информацию прямо в левую сторону мозга. Но когда слова появляются перед левым глазом, слово сначала перемещается в правую сторону мозга и должно пересечь мозолистое тело, прежде чем его можно будет прочитать. Переход из одной стороны мозга в другую занимает время — следовательно, людям требуется больше времени, чтобы прочитать слова, которые появляются у них слева, чем те, которые находятся справа.
В исследовании Вегенера и здоровые, и ранее перенесшие сотрясение мозга пациенты показали одинаковые результаты в тесте; оба без проблем читали вслух слова, написанные справа, но испытывали небольшую задержку, когда им предъявляли слова, написанные слева. Но их МРТ-сканы рассказали интересную историю. В контрольной группе результаты участников теста коррелировали с формой и структурой толстой части мозолистого тела, известной как сплениум. Расположенный около задней части мозга, сплениум соединяет правую зрительную кору и левый языковой центр и служит удобным маршрутом для перемещения слов по мозгу.
Однако у пациентов, перенесших сотрясение мозга, не было никакой очевидной связи между валиком и результатами теста. Вместо этого, результаты, по-видимому, были связаны со структурой на противоположном конце мозолистого тела, называемой коленом. Сотрясение мозга, вероятно, изменило изначальную структуру мозолистого тела, заставив слова искать альтернативные пути через мозг, заключили авторы.
«Не совсем ясно, как мозг реагирует после травмы», но в целом результаты показывают, что здоровые структуры мозга могут помочь компенсировать поврежденные после сотрясения мозга, сказала Вегенер.
Однако, по словам одного эксперта, может быть и другое объяснение. Харви Левин, нейропсихолог и профессор физической медицины и реабилитации в Медицинском колледже Бейлора в Хьюстоне, который не принимал участия в исследовании, сказал, что маловероятно, что одна часть мозолистого тела возьмет на себя работу другой. «Нет никакого способа, чтобы передняя часть мозолистого тела могла выполнить то, что может сделать задняя», — сказал он. Скорее, может быть, что валик был поврежден лишь частично и сохранил некоторую функцию. Если это так, валик мог продолжать передавать информацию с одной стороны мозга на другую, сказал он.
Что касается результатов тестов, то в этом конкретном исследовании пациенты с сотрясениями мозга в прошлом не отставали от контрольной группы, но Вегенер сказала, что структурные изменения в мозолистом теле могут влиять на когнитивные функции и другими способами. «Нам интересно, как эти результаты соотносятся с конкретными симптомами, такими как когнитивное замедление, трудности с вниманием и концентрацией», — сказала она.
Если будущие исследования подтвердят результаты, врачи смогут отслеживать структурные изменения в мозолистом теле и других нервных волокнах, чтобы диагностировать пациентов с сотрясениями и отслеживать их выздоровление с течением времени, сказала Вегенер. В ближайшем будущем она и ее соавторы намерены объединить визуализацию мозга с машинным обучением — типом программного обеспечения искусственного интеллекта — для более точного выявления черепно-мозговых травм у пациентов с сотрясениями и руководства курсом их лечения.
В исследовании, опубликованном в журнале Physics of Fluids, ученые черпали вдохновение из того, как яичные мешалки смешивают яичные белки и желтки, не разбивая скорлупу. Устройство просто вращает неразбитое яйцо на сверхвысоких скоростях, и эта сила передается жидкости внутри, выталкивая желток. Аналогично, при большинстве сотрясений мозга череп не трескается, но мозг все равно травмируется, подумали ученые.
В ходе этого исследования не было перемешано ни одного человеческого мозга. Вместо этого исследователи использовали яичные желтки в качестве модели человеческого мозга.
«Я бы сказал, что это очень дикое сравнение», — сказал старший автор Цяньхун Ву, директор Лаборатории клеточной биомеханики и спортивной науки в Университете Вилланова в Пенсильвании. «Это совершенно разные системы с точки зрения свойств материалов». Во-первых, яичные желтки содержат только одно вещество — желток, — тогда как мозг содержит множество типов клеток, организованных в сложные структуры, сказал он.
Тем не менее, яйца и человеческий мозг имеют ряд ключевых сходств, которые могут дать некоторое представление о фундаментальной физике сотрясений, сказал он.
Если взглянуть на мозг, то мы увидим вязкий орган, окруженный жидкостью, называемой спинномозговой жидкостью (СМЖ), и заключенный в жесткий контейнер — череп. Яичный желток также состоит из мягкой, вязкой материи, окруженной жидкостью и заключенной в жесткий контейнер — скорлупу. Ву и его коллеги заметили эти сходства и продолжили эксперименты, чтобы увидеть, как желток будет деформироваться под действием различных сил. Они протестировали два вида ударов, наблюдаемых при сотрясениях, включая вращательный удар, который заставляет череп вращаться, и поступательный удар, который только смещает череп в пространстве, не вращая его.
Их лабораторные эксперименты начались с похода в продуктовый магазин, где они купили свежие куриные яйца. Чтобы понаблюдать, как сила изменила желток, они выбросили яичную скорлупу и поместили белки и желтки в прозрачный контейнер; таким образом они могли непосредственно наблюдать за внутренностями яйца, все еще удерживая их внутри жесткого сосуда. Чтобы проверить поступательный удар, команда сбросила 4-фунтовый (1,7 кг) молоток на контейнер с высоты 3,2 фута (1 метр) над ним; для своих экспериментов с вращательным ударом они вращали контейнер с помощью электродвигателя до 64 оборотов в секунду.
Команда записала эти тесты с помощью высокоскоростной камеры и обнаружила, что вращательное воздействие вызвало резкую трансформацию желтка, в то время как поступательное воздействие не вызвало видимых изменений. Когда контейнер начал вращаться, сферический желток вытянулся горизонтально, образовав «эллипсоид». Но самые интенсивные изменения произошли, когда вращение замедлилось. По мере того, как скорость вращения падала, центр желтка сжался вовнутрь, втянув горизонтальный эллипсоид в вертикальную плоскость. В течение одной секунды округлая форма сжалась в плоский диск.
Когда вращение полностью прекратилось, потребовалось около минуты, чтобы желток снова расслабился в сферу. «Эта большая деформация, очевидно, могла привести к серьезному повреждению желтка», — отметили авторы.
Верхний ряд изображений показывает желток в ходе эксперимента с падением молотка. Средний ряд показывает желток при ускоряющемся вращении, где он становится эллипсоидом. Нижний ряд показывает замедляющееся вращение. Цзи Лан и Цяньхун Ву
Экстремальные вращательные удары могут быть столь же разрушительными для мозга. Например, когда боксеры получают удар в подбородок, их головы быстро откидываются назад на шее, а затем быстро замедляются, когда голова не может откинуться дальше. Это может объяснить, почему боксеры могут легко потерять сознание, когда их бьют таким образом, отметил Ву.
В то время как вращательное воздействие вызвало хаос в желтке, эксперимент с падением молотка не вызвал никаких изменений. «Это очень удивительно, это противоречит здравому смыслу», потому что можно было бы ожидать, что сила будет передаваться через твердый контейнер и яичные белки в желток, сказал Ву. Этот удивительный результат может быть объяснен тем фактом, что яичные белки и желтки имеют очень похожую плотность, поэтому при ударе молотка они могут двигаться вместе как единое целое, сказал он. Это не позволит желтку изменить форму.
Поскольку мозг имеет иную плотность, чем окружающая его СМЖ, сильный удар по голове, скорее всего, немного деформирует мозг. Но, основываясь на их экспериментах, мозг может быть более чувствителен к вращательным воздействиям, сказал Ву.
Во время реального сотрясения мозга поступательное и вращательное воздействие происходят одновременно. «Вы действительно не можете полностью отделить одно от другого… Это всегда комбинация того и другого», — сказал Ву.
Теперь, когда Ву и его коллеги разработали физику сотрясений в яйцах, они планируют проверить свои результаты в мозге. Недавно лаборатория разработала искусственный мозг, смоделированный на основе сканирования человеческого мозга и окруженный прозрачным черепом, который они подвергли экспериментам по удару. Команда также изучает мозг, взятый у мышей, но Ву сказал, что они намерены работать с мозгом живых животных в будущем.
Они также объединились с врачами из больницы Университета Томаса Джефферсона, чтобы сравнить результаты лабораторных экспериментов с данными пациентов, перенесших черепно-мозговую травму, добавил он. Это должно помочь связать точки между физикой, наблюдаемой в яйцах, и реальными травмами, полученными людьми.
