Какое существо может отрастить себе новый мозг?

Аксолотль, как было установлено учеными, является личинкой мексиканской амбистомы. Амбистомы (Ambystomatidae), семейство хвостатых амфибий. Амбистома — сухопутное животное, внешне похожая на крупную саламандру, но более скромной расцветки. У аксолотля есть фантастическая способность отращивать утраченные органы.

Мы, конечно, знаем и других животных, которые могут отращивать новые хвосты или лапы, но всем им до аксолотля очень-очень далеко: он умеет полностью восстанавливать не только конечности, но и глаза, челюсти, сердце. И наконец – это единственное позвоночное, которое может заново отрастить повреждённые фрагменты своего мозга. Как же это происходит?

Исследователи из Института Броуда (Broad Institute of MIT and Harvard) обнаружили, что частично разрушенный паллиум (часть переднего мозга, которая у человека образует кору больших полушарий) аксолотля способен образовывать все типы нейронов, которые были в нём до повреждения. Это означает, что вновь сформированная ткань мозга амфибии может подавать все те же сигналы, что были в её "арсенале" до ранения. Однако есть и ограничения: аксоны (длинные отростки нейронов), связывающие паллиум с другими частями мозга при регенерации, у аксолотлей образуются достаточно плохо. Работа опубликована в журнале eLife.

Ранее уже было известно, что личинки саламандр — аксолотли — могут отращивать не только утраченные конечности, но и некоторые более экзотические части тела — например, участки мозга. Однако не было понятно, насколько правильно при этом происходит регенерация. Ведь для нервной ткани важно не только число и соотношение различных типов клеток, но и порядок их связей друг с другом. Чтобы его определить, американские нейробиологи использовали методы электрофизиологии, а также красители, меняющие цвет нейронов в зависимости от того, как часто они посылают сигналы определённой интенсивности.

Авторы предполагают, что способность аксолотля регенерировать различные типы нейронов связана с его личиночным состоянием. Саламандры могут жить в форме аксолотля до смерти и при этом способны к размножению (размножение на стадии личинки называется неотения). Тем не менее при выполнении определённых условий (например, при добавлении йода в воду) аксолотль в любом возрасте может превратиться во взрослую саламандру. Это означает, что все клетки его тела постоянно готовы к метаморфозу. Грубо говоря, они по свойствам достаточно близки к стволовым клеткам.

Что касается проблем с восстановлением длинных отростков, исследователи считают, что тут дело не в неспособности новых нейронов образовывать аксоны, а в отсутствии соответствующих сигналов со стороны окружающей нервной ткани. При эмбриональном развитии судьба каждой клетки определяется сигнальными веществами, которые выделяют её соседи — другие развивающиеся клетки. Нейроны мозга взрослого аксолотля таких веществ не образуют, поэтому новопришедшие клетки "не понимают", куда направлять аксоны. Однако если в ткань добавить такие вещества, новые аксоны наверняка удастся отрастить.

Механизм регенерации саламандрами утерянных конечностей не имеет ничего общего с действием стволовых клеток, выяснили ученые.

Магические способности саламандр

Способность этих хвостатых земноводных отращивать себе лапы, легкие, мозг волновала человечество на протяжении тысячелетий -- ее изучали Аристотель, Вольтер, Дарвин.

Когда животное теряет часть тела, клетки поверхностного слоя кожи быстро покрывают рану так называемой эпителиальной крышкой, фибробласты разрывают связи с соединительной тканью и образуют на месте раны бластему, из которой формируется новая конечность. К примеру, на новую лапу уходит всего три недели.

В конце XX века ученые предполагали, что клетки саламандр похожи на стволовые, то есть могут превращаться в любой орган.
Мартин Крагль из немецкого Института Макса Планка выяснил, что это не так. Вместе с американскими коллегами он исследовал, как мексиканская саламандра аксолотль Ambystoma mexicanum отращивает себе конечности и ткани. Крагль воспользовался открытиями сотрудников Калифорнийского университета, которые доказали, что клетки бластемы саламандр подобны клеткам в развивающихся конечностях эмбрионов млекопитающих, которые способны обновлять свои конечности, однако теряют эти навыки перед появлением на свет.

Эксперимент в ультрафиолете

Исходя из идеи, что развитие конечностей из бластемы практически повторяет в кратком виде их естественное развитие у растущих существ, немецкие и американские ученые разделили животных на две группы. Первой ввели протеин GFP, полученный из флюоресцирующей медузы. В ультрафиолете этот протеин подсвечивает клетки зеленым цветом, что позволяет ученым проследить происхождение различных клеток и их предназначение. Во вторую группу вошли как взрослые аксолотли, так и личинки. Им ученые ввели клетки с протеином, взятые у генно-модифицированных особей. Личинкам вещество вкалывали туда, откуда, как знали биологи, должны были вырасти различные ткани и органы, в частности нервная система. Взрослым особям сначала вводили клетки с протеином, а потом отрезали от тела по кусочку.

Несколько недель пронаблюдав за подопечными, биологи выяснили, что клетки ведут себя весьма консервативно -- они вырастают лишь в те органы и ткани, из которых произошли. «Главный вывод исследователей: новые клетки мышц производят лишь старые клетки мышц, новые клетки кожи производят лишь старые клетки кожи, новые нейроны производят только старые нервные клетки», -- пишет издание Science Daily.

Нагляднее всего этот процесс наблюдался у личинок: вколотые в область, откуда должна была вырасти нервная система, подсвеченные зеленым клетки распространялись по растущему аксолотлю в точности по схеме нервной системы.

«По всей вероятности, клетки близ ампутированного органа перепрограммируются, что позволяет им запускать эмбриональные программы формирования тканей без возврата к изначальной полипотенциальной клетке», -- отметили исследователи в статье, опубликованной в престижном журнале Nature.

Другими словами, клетки саламандр ведут себя принципиально иным образом, нежели стволовые. Если последние способны получать специализацию и развиваться в практически любые органы, то в клетках саламандр заложен механизм четкой преемственности.

От саламандры к супермену

Преимущество клеток саламандр в том, что для начала процесса регенерации им не нужно доходить до эмбрионального состояния -- они отлично работают будучи взрослыми. Раскрыв тайну «активных клеток», врачи смогут выращивать человеку оторванную руку или ногу по примеру саламандры.

«Однажды мы сможет регенерировать ткани людей», -- верит один из авторов исследования Малькольм Меден. Надежды американских ученых во многом объясняются личностью заказчиков исследования: его проспонсировал департамент обороны США, представители которого хотят помочь перенесшим ампутацию ветеранам Ирака и Афганистана.

В некоторых источниках даже пишут, что Аксолотли могут буквально собирать себя по частям – присоединяя к себе освободившиеся части других сородичей – включая головы.

Грубо говоря, если взять куски аксолотлей, сложить вместе и перемешать, то вполне возможно (утверждать наверняка не берёмся), что этот винегрет вскоре срастётся в нечто единое, поднимется на лапы и отправится по своим аксолотским делам.

Благодаря своим уникальным способностям, эти животные водятся теперь не только в Мексике – их можно найти в научных лабораториях по всему миру, где учёные беспрестанно режут их на кусочки и потом опять складывают, как мозаику, надеясь разгадать этот фокус-покус.