Projection neurons of the prefrontal cortex, their participation in the formation of various forms of behavior and expression in them of brain-derived neurotrophic factor

Texto integral

ВВЕДЕНИЕ

Префронтальная кора (PFC) участвует в большом разнообразии процессов высшей нервной деятельности, например, в условно-рефлекторном обучении [1], формировании, консолидации и воспроизведении памяти [2], социальном поведении [3], принятии решений [4]. В обработке информации, обуславливающей эти процессы, принимают участие миллионы нейронов по всему мозгу, однако широко признано, что именно PFC является критическим центром, обладающим ассоциативными функциями. Именно с этой структурой головного мозга связаны высшие исполнительные функции, т. е. функции, позволяющие совершать и планировать высокоуровневые задачи и процессы, достигшие беспрецедентной сложности у людей. Многие нейропсихологи указывают на связь функций PFC с личностью человека, его желанием жить. Нарушения в работе нейронов PFC чаще всего связывают с такими психическими заболеваниями как депрессия, тревожность и шизофрения [5–8]. Также они могут участвовать в патогенезе детских нейропатологий, например, расстройства аутистического спектра (РАС) [9, 10] и синдрома дефицита внимания и гиперактивности (СДВГ) [11]. Однако даже после десятилетий исследований механизмы патогенеза этих заболеваний все еще не вполне ясны. Также остается загадкой, каким образом высшие когнитивные способности возникают в результате активности нейронов PFC. Одной из ключевых сложностей на пути к пониманию этих процессов является невозможность исследовать нейронные сети головного мозга человека на таком же уровне, как у животных ввиду этических и технических ограничений. В то же время эволюционно возникшие различия в размере и строении головного мозга между разными видами млекопитающих особенно заметны в PFC: у людей эта структура самая большая, она составляет треть всей коры больших полушарий и содержит почти в 2 раза больше нейронов, чем у макак [12]. Это подчеркивает сложность задачи экстраполяции результатов, полученных на животных моделях. Тем не менее в последнее время появляется все больше данных, позволяющих установить функциональную гомологию областей и кластеров нейронов PFC у модельных видов животных и у человека.

Даже если не учитывать проблематику межвидовых различий, исследование механизмов, посредством которых PFC осуществляет ассоциативные функции, затруднено ввиду особенностей функциональной организации этой структуры. Большая часть наших текущих знаний о роли PFC в когнитивном контроле получена из модульной парадигмы, согласно которой определенные функции приписывались отдельным областям PFC с исходным предположением, что они действуют как независимые процессоры для конкретных когнитивных функций [13]. Однако сейчас эта парадигма трансформируется в представление о том, что функции PFC следует рассматривать в контексте взаимосвязи разнообразных нейронов, распределенных в PFC, между собой и другими областями мозга, и именно этим нужно руководствоваться при исследовании роли PFC в когнитивном контроле. Для осуществления обработки информации в PFC безусловно важны все участники процесса: локальные интернейроны, составляющие около 17 % от числа всех нейронов в PFC у мышей, и пирамидные клетки, имеющие проекции как в пределах одной области, так и в других областях коры и в подкорковых структурах (примерно 82 %) [14]. Однако среди них именно аксоны проекционных нейронов могут рассматриваться как анатомическая связь между PFC и другими областями мозга, обуславливающая ассоциативные функции. Впрочем, вопрос о коннективности отдельных нейронов PFC остается не до конца изученным. До последнего времени теории, объясняющие функции PFC исходя из ее коннективности с другими областями мозга, постулировали, что каждый отдельно взятый нейрон PFC преимущественно проецируется на одну мишень [15]. В недавних исследованиях по анализу ветвления аксонов единичных нейронов PFC было показано, что они, напротив, могут иметь множество коллатералей, причем с проекциями в разные отделы головного мозга [16]. Таким образом, можно утверждать, что ассоциативная роль PFC в многочисленных когнитивных процессах обеспечивается как ее анатомическим и цитоархитектоническим строением, так и характером образуемых ее отростками связей с другими областями мозга. Понимание организации этих связей необходимо для дальнейшего изучения функций PFC и разработки возможных методов коррекции состояний, вызванных их нарушением.

Немаловажную роль в развитии и функционировании проекционных нейронов PFC для принимает нейротрофический фактор мозга – BDNF. Этот нейротрофин широко экспрессируется в ЦНС и других тканях [17], но особенно интересен тот факт, что в коре больших полушарий BDNF экспрессируется только в возбуждающих глутаматергических нейронах [18]. При этом трансинаптическая передача BDNF необходима для правильного развития и функционирования дофаминергических, ГАМКергических, холинергических и серотонинергических нейронов, являющихся проекциями экспрессирующих BDNF нейронов [19]. Снижение экспрессии BDNF в PFC наблюдается при депрессии [20], и многие антидепрессанты, включая не только действующие на моноаминергические системы [21], но также и антагонисты NMDA-рецепторов [22], и соли лития [23, 24] восстанавливают экспрессию BDNF в PFC. Эти данные указывают на то, что BDNF играет важную роль в процессах, осуществляемых нейронными сетями, образуемыми при участии проекционных нейронов PFC.

В этом обзоре мы рассмотрели последние достижения в области изучения коннективности проекционных нейронов PFC и, в частности, BDNF экспрессирующих нейронов. Учитывая важность роли BDNF в развитии и функционировании нейронов и их проекционных мишеней, мы также обсудили регуляцию экспрессии BDNF и возможности его использования в терапии заболеваний нервной системы.

ПРЕФРОНТАЛЬНАЯ КОРА И ЕЕ ПРОЕКЦИОННЫЕ НЕЙРОНЫ

PFC представляет собой весьма гетерогенную структуру мозга, состоящую из анатомических единиц, каждая из которых обладает собственными цитоархитектоническими, нейрохимическими и микроструктурными свойствами [25]. У приматов PFC можно условно разделить на области, включающие дорсолатеральную PFC (dlPFC), вентролатеральную PFC (vlPFC), ростральные части орбитофронтальной коры (OFC) и лобный полюс или поле 10 (FP) (рис. 1). Кроме того, в PFC часто включают также каудальную OFC и переднюю поясную извилину (ACA), несмотря на то, что по цитоархитектоническим критериям (наличие четкого зернистого слоя) их технически нельзя отнести к PFC. Каждая область PFC по своей архитектонике делится на определенные поля коры по Бродману: dlPFC – поля 9, 46 и 9/46; vlPFC – поля 44, 45 и 47/12; ACA – поля 24, 25 и 32 и OFC – поля 11, 13 и 14 [26]. В свою очередь, у грызунов PFC делится на латеральную область, орбитофронтальную кору (OFC) и медиальную область, называемую медиальной префронтальной корой (mPFC). mPFC можно подразделить на ACA, прелимбическую кору (PL), инфралимбическую кору (IL) и медиальную OFC [27]. Также в последние годы некоторые исследователи стали включать в PFC вторичную моторную область (M2) [28] (рис. 1a – c). В то же время эти области коры у грызунов являются агранулярными (то есть не содержат ярко выраженного 4-го слоя), из-за чего установить их гомологию с областями приматов затруднительно. Сопоставление проекций, образуемых PFC к другим областям мозга, является одним из подходов к определению гомологичных областей у разных видов млекопитающих. Функция конкретной области PFC зависит как от ее внутренних свойств, так и от внешних связей. Каждая область PFC имеет уникальные корково-корковые и кортико-подкорковые связи, которые отличают ее от других областей [29]. Несмотря на то, что вопрос еще изучен не в полной мере, представляется, что PFC грызунов содержит области-гомологи агранулярной медиальной лобной (области 24, 32 и 25) и агранулярной OFC приматов, но не имеет гомологов зернистой коры, которая составляет большую часть PFC у большинства видов приматов [30]. Тем не менее грызуны являются важными биомедицинскими модельными объектами, а области PFC, общие для грызунов и приматов, а именно лимбическая часть, в некоторых отношениях имеют даже большее клиническое значение, чем гранулярная PFC. Таким образом, интерес к подробному исследованию проекций нейронов PFC у грызунов оправдан также и возможностью сопоставления структурной основы для понимания разнообразных когнитивных функций PFC и экстраполяции результатов.

 

Рис. 1. Анатомия префронтальной коры (PFC) приматов и грызунов. (a) – мозг человека, вид с медиальной плоскости, цветом отмечены поля Бродмана, входящие в PFC, линией отмечен примерный уровень среза на рис. 1b (препарат анатомического музея Факультета естественных наук Новосибирского государственного университета); (b) – фронтальный срез мозга человека (Allen Reference Atlas – Human Brain, atlas.brain-map.org [96]) и анатомическая схема названия областей и полей Бродмана, входящих в PFC; (c) – коронарный срез мозга мыши: окраска по Нисслю и подразделение PFC на основные анатомические зоны (Allen Reference Atlas – Mouse Brain, atlas.brain-map.org [97]).

 

Учитывая, что PFC имеет проекции в нескольких областях головного мозга, проецируется ли каждый отдельно взятый нейрон в одну область мозга или в несколько областей, является фундаментальным вопросом. Для решения этого вопроса технология ретроградной трассировки применялась во многих исследованиях. Одному животному в две мишени проекций PFC вводятся вирусные векторы, которые ретроградным аксональным транспортом проникают в проецирующие нейроны и экспрессируют там флуоресцентные белки. Затем подсчитывается количество нейронов PFC, помеченных обоими трассерами, то есть проецирующихся в обе области. Исследования с использованием этого подхода на крысах и мышах продемонстрировали, что количество отдельных нейронов PFC, проецирующихся в две области мозга, весьма невелико [3, 30–33]. Хотя эти результаты, по-видимому, предоставляют веские доказательства того, что нейроны PFC преимущественно проецируются в одну из двух областей, куда вводили трассеры, в то же время множество других проекционных областей могут оставаться неучтенными. Действительно, анализ объемных аксональных проекций ретроградно маркированных нейронов показывает, что они также проецируются в области, отличные от тех, в которые вводится трассер [31].

Однако полная оценка всех проекций требует трассировки аксонов и аксональных коллатералей отдельных нейронов PFC. Хотя ранее это было трудоемкой задачей, достижения в области визуализации и вычислительных методов теперь сделали решение данной проблемы осуществимым в больших масштабах. Так, технология light sheet [34] позволяет быстро получать конфокальные изображения целых органов, таких как мозг мыши с большим разрешением, до уровня отдельных отростков нейронов. Это позволило стартовать мега-проектам по изучению коннективности нейронов мозга в Allen Brain Institute [35] и Университете науки и технологий в Гуанчжоу [36]. В настоящее время возможно анализировать связи единичных нейронов в отдельных структурах. Так, в недавнем исследовании Le Gao с соавт. [16] с использованием метода флуоресцентной микро-оптической секционной томографии (fMOST, рис. 2) был создан атлас, в котором детально проанализированы и классифицированы проекции единичных нейронов PFC мыши. Суть метода fMOST состоит в получении широкопольных изображений мозга в нескольких каналах флуоресценции с разрешением на уровне клеток и аксонов и идентификацией анатомических реперных точек для наложения перекрывающихся изображений (рис. 2). Таким образом создается 3D изображение мозга, позволяющее разглядеть отдельные клетки и пути следования их отростков. По полученным изображениям при помощи специально разработанного математического аппарата строится 3D компьютерная модель ветвления флуоресцирующих отростков клеток, и для каждого единичного нейрона анализируется, куда направляются терминали, порядок и степень их ветвления.

 

Рис. 2. Схема, отображающая получение трехмерной компьютерной модели ветвления единичных нейронов при помощи флуоресцентной микрооптической секционной томографии (fMOST). PMT – детектирующий фотоумножитель.

 

На основе этих данных было выделено 64 типа проекционных нейронов. В PFC, если рассмотреть терминали нейронов только по первому порядку ветвления, т. е. первому направлению аксона, все нейроны можно разделить на интрателенцефалические (IT, 1–44 типы), корково-таламические (CT, 45–52 типы) и нейроны, аксоны которых образуют пирамидный тракт (PT, 53–64 типы). Схематическое изображение расположения разных типов проекционных нейронов в PFC представлено на рис. 3b.

 

Рис. 3. Проекционные нейроны префронтальной коры. (a) – окраска по Нисслю и подразделение PFC на основные анатомические зоны (Allen Reference Atlas – Mouse Brain, atlas.brain-map.org [97]); (b) – расположение проекционных нейронов PFC по данным Gao с соавт. [16] (https://mouse.braindatacenter.cn/). Размер кругов пропорционально соответствует числу нейронов каждого подтипа в пределах анатомической зоны; (c) – представлены некоторые типы проекционных нейронов. Видны коллатерали IT-нейронов 10-го типа (отмечены стрелками и цифрой 1), субкортикальная коллатераль IT-нейрона 16-го типа (отмечена стрелкой и цифрой 2) и кортикальная коллатераль PT-нейрона 64-го типа (отмечена стрелкой и цифрой 3). Отдельные нейроны обозначены разными цветами [16], (https://mouse.braindatacenter.cn/).

 

При анализе изображений атласа можно заключить, что во всех областях PFC присутствуют нейроны каждого из трех больших классов. Большинство (38 из 64) подтипов нейронов являются специфичными для областей PFC или охватывают только 2–5 областей PFC. Но некоторые подтипы нейронов присутствуют почти во всей PFC. При этом IT-нейроны широко представлены от 2/3 до 6 слоев коры, PT – в 5-м слое, а CT – в 5-м и 6-м слоях. Интересно, что расположение тел нейронов топографически соответствует проекциям их аксонов, однако является не единственным фактором, определяющим распределение их мишеней. Кроме того, подтипы проекционных нейронов различаются по длине и типу ветвления аксонов. Так, IT-нейроны иннервируют несколько областей коры коллатералями второго и третьего порядков, причем эти коллатерали могут иннервировать как области в том же полушарии, так и в противоположном, а также в совершенно другой области коры (рис. 3, 5). Например, основная проекция нейрона расположена в зрительной коре, но по пути аксон отдает коллатераль в слуховую кору на ипсилатеральную и контралатеральную стороны (рис. 3c, 5). У разных подтипов IT-нейронов проекции коллатералей значительно отличаются. Такое распределение коллатералей указывает на то, что один и тот же IT-нейрон может участвовать в функциональной координации нескольких областей коры. Примечательно, что IT-нейроны также отдают коллатерали субкортикально (рис. 5). Так, они обширно связаны с базолатеральной миндалиной (BLA) – структурой, связанной с реакцией страха [37], дорзальным стриатумом, связанным с оперантным ответом [38], вентральным стриатумом – с социальным [39] и вариативным поведением [40], клауструмом – с контролем действий [41] и паллидумом – с положительным подкреплением [38].

Для подтипов PT-нейронов также характерно соответствие расположения тела в конкретной области PFC и проекционной структуры. Например, среди четырех подтипов PT, преимущественно локализованных в передней поясной извилине (ACA), один подтип иннервирует верхние бугры четверохолмия, которые связаны с моторикой (SCm), а другой – центральное серое вещество (PCG), причем тела этих двух подтипов нейронов расположены на задней и передней частях ACA соответственно. При этом коллатерали первого порядка аксонов PT-нейронов иннервируют ближайшую от места ветвления подкорковую мишень. Например, один и тот же кластер коллатералей проецируется на вентральную область покрышки (VTA) и компактную и ретикулярную части черной субстанции (SNc/SNr) по пути следования первичных аксонов PT-нейронов [16]. Это может быть структурной основой регуляции PFC дофаминергических нейронов в VTA и SNc при ассоциативном обучении [16].

Тела восьми подтипов CT-нейронов также пространственно разделены внутри PFC. Первичные аксоны CT тракта имеют медиолатеральный порядок, такой же, как расположение тел в PFC, который превращается в переднезадний порядок, когда аксональный тракт CT резко поворачивается перед достижением таламуса. Этот переднезадний порядок аксонов CT определяет порядок их терминального распределения в таламусе. Помимо таламических ядер, некоторые CT-нейроны (например, подтипы 45 и 52) также проецируются в другие подкорковые области, включая клауструм (CLA), наружный и внутренний сегменты бледного шара (GPe/GPi), безымянную субстанцию (SI), ядро ложа конечной полоски (BST), неопределенную зону (ZI) и латеральную область гипоталамуса (LHA) [16].

Интересно, что PFC, в отличие от других областей коры, имеет сильные проекции на все основные группы мезопонтинных моноаминергических и холинергических клеток, а не только иннервируется ими, и значит имеет с ними реципрокные связи. Причем разные области PFC оказывают разный модулирующий эффект. Например, mPFC в основном возбуждает дофаминовые нейроны VTA, а OFC ингибирует их [42]. Более того, как выяснилось в ходе изящного электронно-микроскопического исследования, аксоны PFC преимущественно контактируют с дофаминовыми нейронами VTA, которые проецируются обратно в mPFC [43]. Учитывая, что отдельные клетки mPFC могут отправлять коллатерали как в VTA, так и в дорсальное ядро шва (DRN) [44], это означает, что PFC способна не только регулировать дофаминовый сигналинг от VTA, но и одновременно влиять на другие модулирующие группы клеток среднего мозга [45]. Именно обширные коллатерали проекционных нейронов PFC позволяют ей выполнять ассоциативную функцию, участвовать и координировать множество сложных когнитивных процессов.

ТРАНСКРИПТОМИКА ЕДИНИЧНЫХ КЛЕТОК PFC

В молекулярной биологии также наблюдается прорыв с использованием технологии изучения транскриптомики единичных клеток (рис. 4).

 

Рис. 4. Схема, отображающая принципы транкриптомики единичных клеток. Ткань разбивают на клетки, после чего в микрофлюидном чипе объединяют с баркодированными бусинами в несмешивающуюся эмульсию. Обратную транскрипцию проводят по механизму переключения матрицы с целью включения заданных последовательностей по концам. После этого проводят массовое параллельное секвенирование NGS, компьютерную обработку и кластеризацию.

 

Результаты исследования транскриптомов единичных клеток PFC [16, 46, 47] позволили идентифицировать несколько основных генов маркеров проекционных нейронов, экспрессирующихся в PFC, но они присутствуют во всех трех типах IT-, CT-, PT-нейронов, в зависимости от области PFC (рис. 5a). Lypd1 и Penk являются маркерами IT-нейронов 2–3-х слоев; Rorb, Deptor и Nnat – маркеры IT-нейронов 5–6-х слоев; Npnt и Lypd1 – PT-нейронов, а Nnat и Tbpg – CT-нейронов. Примечательно, что наблюдается как распределение экспрессии этих маркеров по слоям коры (от верхних до нижних), например, во вторичных моторных областях (МО), так и медиально-латерально по областям PFC от PL до ORB. Lypd1+ IT-нейроны 2/3-х слоев и Nnat+ IT-нейроны 5/6-х слоев чаще встречаются в прелимбической (PL), орбитомедиальной (ORBm) областях, а Lypd1+ PT и Nnat+ CT-нейроны встречаются в вентролатеральной (ORBvl) и латеральной орбито-фронтальной (ORBl) областях. IT-нейроны, проецирующие коллатерали в вентральный стриатум (тип 21 и 38), больше экспрессируют Nnat, в то время как проецирующие в дорзальный стриатум (тип 26) – Deptor (рис. 5b). CT-нейроны, проецирующиеся в субмедиальное ядро (SMT), экспрессируют Tbpg (тип 47 and 50), а PT-нейроны, проецирующие в область верхних бугров четверохолмия (тип 53 and 55) – Npnt (рис. 5b, табл. 1). У разных подтипов проекционных нейронов в области PL/ORB обнаруживается разный паттерн экспрессии этих генов, что может свидетельствовать о том, что различия в ветвлении аксонов могут иметь молекулярно-генетическую основу, вероятно, заложенную во время раннего развития.

 

Рис. 5. Экспрессия основных генов маркеров. (a) – экспрессия основных маркерных генов в PFC по данным транскриптомики единичных клеток (данные in situ гибридизации взяты из Allen Mouse Brain Atlas, mouse.brain-map.org [98]); (b) – приведены некоторые типы проекционных нейронов и маркеры, которые экспрессируются преимущественно в них. Отдельные нейроны обозначены разными цветами. По данным Gao с соавт. [16].

 

Таблица 1. Сравнение экспрессии выделенных маркерных генов по слоям PFC по данным Gao с соавт. [16]

Области PFC	Lypd1+ IT 2/3-х слоев	Penk+ IT 2/3-х слоев	Rorb+ IT 5/6-х слоев	Deptor+ IT 5/6-х слоев	Nnat+ IT 5/6-х слоев	Tpbg+ CT	Nnat+ CT	Npnt+ PT	Lypd1+ PT
PL–ILA-ORB	+	+	+++	+++	+++	++	++	++	+
ACC	+	+	+++	+++	+++	++	++	+	+
AI	+	+	++	++	+++	++	++	+	+
MOs	+	+	+++	++	++	+	+	-	-

 

ПРОЕКЦИОННЫЕ НЕЙРОНЫ PFC, ЭКСПРЕССИРУЮЩИЕ НЕЙРОТРОФИЧЕСКИЙ ФАКТОР МОЗГА

BDNF участвует в широком спектре функций мозга, включая дифференцировку нейронов и рост нейритов во время развития, а также структуру и пластичность синапсов на протяжении развития и взрослой жизни [48, 49]. BDNF также имеет решающее значение для различных форм обучения и памяти [50, 51] и участвует в патогенезе ряда психических расстройств, включая депрессию, зависимость и обсессивно-компульсивное расстройство [19], а также шизофрению [8]. BDNF экспрессируется довольно широко в головном мозге: в VTA, миндалине, гиппокампе и PFC [52]. Примечательно, что в дорсальном стриатуме (DS) и прилежащем ядре (NAc) BDNF практически не экспрессируется, а преимущественно поставляется за счет антероградного аксонального транспорта от пирамидных нейронов PFC с незначительным вкладом от дофаминергических нейронов VTA [53]. В недавнем исследовании Ehinger с соавт. [54] выявили источники BDNF экспрессирующих проекций в DS. В своих исследованиях они использовали трансгенных мышей, экспрессирующих Cre-рекомбиназу под промотором Bdnf. Животным в различные части стриатума вводили ретроградные трассеры – частицы AAV, проникающие в нейроны ретроградно благодаря специально отобранному капсиду. В вирусном генетическом материале была закодирована репортерная конструкция, запускающаяся только после рекомбинации (рис. 6b, c). Таким образом обнаружилось, что нейроны mPFC, экспрессирующие BDNF, в основном дают проекции в дорсомедиальный стриатум (DMS), в то время как BDNF нейроны из первичной и вторичной моторной (М1 и М2) и агранулярной инсулярной коры (AI) проецируются в основном в дорсолатеральный стриатум (DLS) [54]. Важность BDNF-сигналинга в этих нейронных сетях уже была показана. Потребление алкоголя вызывает изменения в глутаматергических синапсах в проекциях из AI в DLS [55], причем BDNF нужен для этой синаптической адаптации [56], а в сети MO-DLS BDNF необходим для моторного обучения [57]. В то же время DMS играет важную роль в целенаправленном поведении [58], а BDNF в МО необходим для поддержания целенаправленного действия у мышей. В частности, Gourley с соавт. показали, что нокдаун BDNF в МО снижает поведенческую чувствительность к девальвации подкрепления [59]. Таким образом, вполне вероятно, что BDNF, высвобождаемый МО-нейронами в DMS, регулирует контроль целенаправленного поведения. Другая возможная роль BDNF в этом кортикостриарном контуре заключается в формировании и модуляции синапсов нейронов стриатума.

 

Рис. 6. Проекционные нейроны PFC, экспрессирующие нейротрофический фактор мозга Bdnf. (a) – экспрессия Bdnf в PFC. Приведены данные in situ гибридизации из Allen Mouse Brain Atlas, mouse.brain-map.org [98]. (b) – репортерная конструкция, которая вводилась Ehinger с соавт. Bdnf^cre мыши в виде аденоассоциированных вирусов с капсидом, трансдуцирующим нейроны ретроградно (ретроградных трассеров) в разные области стриатума. (c) – экспрессирующие BDNF нейроны PFC, проецирующиеся в разные области стриатума, выявленные при помощи введения ретроградных трассеров в дорсомедиальный (DMS) и дорсолатеральный (DLS) стриатум [54].

 

Проекции из PL в NAc имеют критическое значение для терапевтичесго эффекта BDNF при употреблении кокаина, что было показано при помощи хемогенетического подхода с Сre-зависимой ретроградной экспрессией [60]. Ранее эти же исследователи уже продемонстрировали, что введение BDNF в PL нормализует вызванное кокаином снижение внеклеточного глутамата в NAc [61]. При этом подавление активности проекций PL в паравентрикулярное ядро таламуса вызывает такой же эффект и в отсутствие BDNF. Это в очередной раз подчеркивает многогранность функций, которые выполняет PFC или отдельные ее области, что может быть связано как с характером распространения аксонов и их терминалей, так и молекулярными механизмами, которые могут отличаться в разных популяциях нейронов в пределах одной области. Представленные выше данные указывают на то, что в сетях, образуемых при участии проекционных нейронов PFC, BDNF играет важную роль, связанную, видимо, с его функцией регуляции нейропластичности [62]. Тем не менее обширные коллатерали экспрессирующих BDNF нейронов PFC не были учтены в этих работах и могут быть предметом будущих исследований.

РЕГУЛЯЦИЯ ЭКСПРЕССИИ BDNF

Bdnf – ген с очень сложной транскрипционной и трансляционной регуляцией и посттрансляционным процессингом [63–67]. Белок BDNF закодирован в последнем экзоне. Существует большое количество сплайс-вариантов мРНК Bdnf [68], но сплайсинг не затрагивает белок-кодирующую последовательность, присутствующую во всех транскриптах, за которой идет 3’UTR – либо длинная, либо короткая нетранслируемая область (рис. 7a, b) [69]. Предполагается, что большое число сплайс-форм нужно для тонкой регуляции локального синтеза белка в дендритах и шипиках [68]. Так, показано, что различные сплайс-варианты мРНК локализованы в различных компартментах нейронов [68]. Регуляция транскрипции осуществляется как транскрипционными факторами, чьи сайты связывания присутствуют в промоторе, реагирующими на разрядную активность нейронов, например CREB [68], так и антисмысловой (lnc)РНК Bdnf-as, закодированной в комплементарной цепи [64, 70]. Нужно отметить, что картированная Bdnf-as человека кодируется протяженной областью между Lin7c и частично перекрывается с Bdnf, длинный транскрипт сплайсируется (рис. 7а), в то время как у мыши промотор lncРНК находится в 10кб от стоп-кодона Bdnf. siRNA нокдаун lncРНК Bdnf-as приводил к 2–7-кратному увеличению мРНК Bdnf [64].

 

Рис. 7. Регуляция экспрессии Bdnf. (a) – схема локуса человека, в котором располагаются Bdnf и Bdnf-as [64]. (b) – существует большое количество сплайс вариантов мРНК Bdnf [68], которые могут располагаться в различных компартментах нейрона и обеспечивать различный локальный синтез белка. (c) – антисмысловая РНК (lnсРНК) Bdnf-as, связывается с поликомб белком EZH2 и вызывает метилирование гистонов и транскрипционную репрессию [71]. (d) – синтез белка BDNF происходит по-разному, в зависимости от фазы синаптической потенциации (LTP), что контролируется киназой MNK [66].

 

У нокаутных мышей с делецией промотора Bdnf-as уровень мРНК Bdnf и белка был повышен только на фоне повышения нейрональной активности после тестов, но не в покое [70]. Также эти мыши демонстрировали улучшение памяти в Y-образном лабиринте. Сайленсинг Bdnf-as осуществляется через связывание lncРНК c белком группы поликомб (polycomb), ремоделятором хроматина EZH2, который, в свою очередь, оставляет репрессивные триметилированные метки гистона Н3 (H3K27me3) в регуляторных районах (рис. 7c) [71]. Стоит отметить, что Bdnf является геном, работа которого способна связать и объяснить программирующее действие стрессовых воздействий в ранний постнатальный период на последующее становление и развитие нервной системы. Так, показано postmortem, что в миндалине людей с ранним приобретением (< 21 года) алкоголизма наблюдается повышенный уровень транскрипта Bdnf-as и снижено количество метилированного аденозина (N6-methyladenosine) в этом транскрипте, что может служить прогностическим маркером раннего алкоголизма [71]. Повышенное метилирование CpG в промоторе самого Bdnf, а именно в сайте связывания CREB, наблюдается на модели пренатальных токсических воздействий бисфенолом А [72]. Сообщалось, что стресс вызывает гиперметилирование [73], особенно в экзоне IV BDNF [74, 75]. В mPFC социальный стресс у подростков приводит к снижению общего уровня BDNF и транскрипта с промотора IV, повышению уровня метилирования гистона H3K9, следующего за промотором IV, и снижению ГАМКергической нейротрансмиссии, что связывают с депрессивным фенотипом [76, 77]. Такие эпигенетические изменения BDNF в mPFC после социального стресса у подростков могут быть связаны с регуляцией когнитивной дисфункции во взрослом возрасте.

Помимо регуляции на уровне транскрипции, показано, что экспрессия Bdnf регулируется посттранскрипционно, т. е. на уровне трансляции. Так, в дорсальных ганглиях трансляция мРНК Bdnf зависит от фосфорилирования кэп-связывающего белка eIF4E [67]. У трансгенных мышей eIF4ES209A с заменой серина 209 (по которому происходит фосфорилирование) на аланин значительно снижена трансляция мРНК Bdnf, а проноцицептивные раздражители не повышают уровень белка BDNF, несмотря на повышенный уровень мРНК Bdnf [67]. Примечательно, что интратекальное введение белка BDNF таким мышам дает гипералгезирующий эффект [67]. В то же время показано, что трансляция, связанная с долговременной потенциацией, опосредованная сигналингом BDNF-TRKB, имеет две фазы, в которых MAP-киназа-взаимодействующая киназа (MNK) играет двойственную роль (рис. 7d) [66]. В начальной фазе она фосфорилирует eIF4E и запускает трансляцию BDNF, а в поздней фазе, наоборот, привлекает репрессор трансляции 4E-BP2 и снижает синтез белка [66]. После трансляции на рибосоме синтезируется пре-проформа BDNF, от которой вначале отщепляется сигнальный пептид и образуется проформа proBDNF. Затем клеточные конвертазы отщепляют пропептид, образуя зрелую форму [78, 79].

proBDNF имеет свою физиологическую функцию, может также секретироваться и связываться со своим рецептором p75NTR, отличным от рецептора TrkB зрелой формы [80]. Зрелая форма оказывает свое действие через тирозинкиназный рецептор, чье действие критически важно для регуляции мощности синапсов и долговременной потенциации, а вследствие этого памяти. Проформа же действует через p75NTR, активация которого может модулировать долговременную синаптическую депрессию, приводить к апоптозу, а также коллапсировать конус роста нейронов [81]. Появляется все больше свидетельств, что пропептид в отдельности имеет биологическое действие. Так, он облегчает долговременную синаптическую депрессию в гиппокампе мышей, требующую активации NMDA-рецепторов, содержащих субъединицу GluN2B, и p75NTR-рецептора [78]. В то же время в развивающемся мозге proBDNF является превалирующей формой белка в PFC [82]. Сейчас становится все более понятно, что множественность синаптических эффектов BDNF не может быть однозначно интерпретирована, не принимая во внимание возможность совместного действия BDNF с сопутствующими продуктами его созревания [65]. Примечательно, что пропептид Val66Met (с заменой валина на метионин в 66-м положении) у человека полностью ингибирует долговременную синаптическую депрессию [78] и ухудшает память [83]. Эта несинонимичная замена нарушает внутриклеточный трафик и секрецию BDNF в ответ на нейрональную активность [78]. Показано, что этот аллель связан с повышенной встречаемостью таких психопатологий, как депрессия и тревожность [84]. У трансгенных мышей Val68Met, моделирующих данный человеческий полиморфизм, прием алкоголя самками на 12–19-й день беременности и потомками на Р2–9 постнатальный день жизни приводил к сниженному объему гранулярного слоя зубчатой извилины гиппокампа на 15-й день жизни только у BDNFmet/met и сниженному нейрогенезу в гиппокампе на 90-й день [83]. Во взрослом возрасте эти потомки демонстрировали неспособность к обучению и сниженную тревожность. Однако исследования на человеке по связи этого полиморфизма с алкогольной зависимостью дают противоречивые результаты [85]. Одни исследователи говорят об их связи [84], другие, наоборот, не подтверждают этого [85]. Возможно, это связано с тем, что исследования проводились на разных популяциях людей. Однако эти результаты в целом могут указывать на важную роль проформы BDNF в высших когнитивных функциях, которая должна быть предметом будущих исследований.

Ввиду многочисленных свидетельств о том, что сигналинг BDNF нарушается при различных расстройствах нервной системы, много усилий прикладывается для разработки подходов к его терапевтическому использованию. К сожалению, остаются некоторые существенные ограничения для такой терапии, а именно короткий период полураспада и побочные эффекты BDNF, а также, по мнению некоторых авторов, необходимость пересечения гематоэнцефалического барьера [86]. Кроме введения экзогенного BDNF, исследовались агенты, которые усиливают транскрипцию, трансляцию и секрецию BDNF, включая генную терапию с использованием вирусных векторов ([87], (https://clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT05040217) и введение плазмидной ДНК, кодирующей BDNF, в наночастицах [88, 89]. Биодоставка инкапсулированных генетически модифицированных человеческих клеток, предназначенных для высвобождения BDNF, рассматривалась как терапия эпилепсии [90]. Также существуют возможности фармакологического воздействия на рецепторы, с которыми связываются BDNF и его проформы. Так, малая молекула миметика BDNF-7,8-дигидроксифлавон – активирует TrkB [91]. Также для усиление сигналинга BDNF использовались агонисты TrkB-FL (полноразмерная тропомиозин-родственная киназа B), трансактиваторы TrkB-Fl или медиаторы эффектов, опосредованных TrkB-FL, такие, как агонисты аденозинового рецептора A2A. Однако сила эффектов, опосредованных рецептором TrkB, ограничена ввиду явления эндоцитоза [92]. Антагонист рецептора p75NTR, с которым связывается proBDNF, – циклический пептид CATDIKGAEC снижает нейровоспаление, вызванное бета-амилоидом [93]. Также идентифицировано несколько антагонистов малых молекул с многообещающим терапевтическим потенциалом [94, 95]. Впрочем, результаты тестирования этих агентов и их доставки остаются противоречивыми и зачастую не воспроизводятся, поэтому даже крупные метаанализы не могут предоставить достаточно информации для разработки надежных рандомизированных клинических испытаний.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проекционные нейроны PFC имеют связи со множеством областей головного мозга, включая как близко и отдаленно расположенные области коры больших полушарий, так и подкорковые области. Такое распределение проекций PFC лежит в основе физиологических процессов и высшей нервной деятельности, в которых PFC играет ассоциативную роль. Между тем лишь совсем недавно появились технические возможности и были разработаны методики для детального изучения связей конкретных нейронов PFC и определения пути следования их аксонов. Исходя из освещенных в статье последних результатов, становится ясно, что организация коннектома PFC может быть сложнее, чем это представлялось ранее. Так, на смену представления о том, что каждый отдельный нейрон PFC преимущественно проецируется на одну, максимум 2 мишени, приходит понимание, что аксоны этих нейронов имеют множество коллатералей, которые могут проецироваться в самые разнообразные структуры мозга. Эти данные подкрепляют убеждение об ассоциативных функциях PFC, поскольку одновременная связь нейронов с разными областями мозга может позволять PFC координировать сложные процессы, которые, видимо, лежат в основе высших исполнительных функций, особенно развитых у людей.

Несмотря на то, что результаты, полученные на модельных животных, и в особенности на грызунах, было сложно экстраполировать на людей ввиду отсутствия анатомически гомологичных областей или несоответствия цитоархитектонического строения, последние исследования предоставляют все больше данных для установления функциональной гомологии. Так, подробное изучение нейронных контуров, образованных при участи нейронов PFC, в будущем может позволить установить гомологию между нейронами PFC разных видов, исходя из того, с какими областями мозга эти нейроны имеют связи. Создание наиболее точной модели на животных необходимо как для прояснения деталей нормального функционирования PFC, так и для изучения механизмов психических расстройств, участие PFC в которых уже хорошо показано. В настоящее время для этого прилагается множество усилий, некоторые результаты которых освещены в статье.

Несмотря на то, что за последние годы появилось множество данных, свидетельствующих о роли Bdnf, его полиморфизмов и его траскриптов как в физиологических процессах головного мозга, так и в патогенезе многих заболеваний, все конкретные нейронные контуры, в функционировании которых BDNF может иметь свои особенности, еще предстоит изучить. В PFC BDNF экспрессируется в глутаматергических нейронах и транссинаптически оказывает влияние на проекционные области этих нейронов. Этот транспорт BDNF может иметь особенную роль для тех структур головного мозга, где не происходит собственной экспрессии BDNF. Расположение проекционных нейронов, которые поставляют BDNF в DS, лишь недавно было картировано в PFC. Другие подобные нейронные контуры еще предстоит картировать в PFC. Потенциально это позволит в будущем манипулировать процессами, происходящими в этих нейронах или при их участии.

Таким образом, рассмотренные в статье результаты отражают интерес исследователей всего мира к устройству коннектома PFC и функций, осуществляемых при ее участии. Несомненно, более глубокое понимание этой проблемы в будущем поможет разработке методов коррекции заболеваний головного мозга, в основе которых лежит нарушение в функционировании нейронных контуров, образованных при участии нейронов PFC.

ВКЛАДЫ АВТОРОВ

Идея работы (Л. Д. А.), подбор литературы (Д. У. С., Л. Д. А., С. А. В.), написание и редактирование рукописи (Д. У. С., Л. Д. А., С. А. В.), подготовка иллюстраций (Д. У. С., Л. Д. А., Ф. Я. А.)

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Данная работа финансировалась за счет средств бюджета Российского научного фонда (проект № 24–25–00154). Никаких дополнительных грантов на проведение или руководство данным конкретным исследованием получено не было.

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

В данной работе отсутствуют исследования человека или животных.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы данной работы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

Sobre autores

U. Drozd

The Institute of Cytology and Genetic SB RAS

Email: lanshakov@bionet.nsc.ru
Rússia, Novosibirsk

Y. Frik

The Institute of Cytology and Genetic SB RAS; Novosibirsk State University

Email: lanshakov@bionet.nsc.ru
Rússia, Novosibirsk; Novosibirsk

A. Smagin

The Institute of Cytology and Genetic SB RAS

Email: lanshakov@bionet.nsc.ru
Rússia, Novosibirsk

D. Lanshakov

The Institute of Cytology and Genetic SB RAS; Novosibirsk State University; Novosibirsk Medical State University

Autor responsável pela correspondência
Email: lanshakov@bionet.nsc.ru
Rússia, Novosibirsk; Novosibirsk; Novosibirsk

Bibliografia

Arquivos suplementares