Большинство из нас, достигших среднего возраста, заметили замедление памяти и когнитивных функций, но у ученых нет четкой картины молекулярных изменений, которые происходят в мозгу и вызывают это.
Авторы нового исследования на мышах показали, что наиболее выраженные изменения происходят в белом веществе, типе ткани нервной системы, которая является неотъемлемой частью передачи сигналов через мозг. В исследовании также изучались два метода лечения — ограничение калорийности и инфузии плазмы молодых мышей, которые воздействуют на определенные области мозга, при этом плазма, по-видимому, замедляет возрастное снижение. Статья была опубликована в научном журнале Cell.
Результаты дают представление о снижении когнитивных функций при нормальном старении, а также о том, как старение способствует нейродегенеративным состояниям, таким как болезни Альцгеймера и Паркинсона и рассеянный склероз.
При многих нейродегенеративных заболеваниях определенные области головного мозга более уязвимы для повреждений, но ученые точно не знают, почему.
«Я рассматривал это исследование как способ объяснить эту несколько загадочную региональную уязвимость», — комментирует автор статьи Тони Висс-Корей (Tony Wyss-Coray), профессор неврологии и неврологических наук, который руководил исследованием, в котором изучалась экспрессия генов в различных областях мозга мыши по мере его созревания.
Разные гены обнаружены в разных областях
Исследовательская группа взяла образцы 15 областей в обоих полушариях мозга 59 самок и самцов мышей в возрасте от 3 до 27 месяцев. Они определили и ранжировали лучшие гены, экспрессируемые клетками, обнаруженными в каждой области мозга, а также идентифицировали 82 гена, которые часто встречаются и различаются по концентрации в 10 или более областях.
Команда ученых использовала эти гены для разработки общего показателя старения, оценивая, как активность генов в различных областях мозга меняется с возрастом.
Исследователи обнаружили, что белое вещество, которое находится глубоко в мозгу и содержит нервные волокна, защищенные миелином белого цвета, показало самые ранние и наиболее выраженные изменения экспрессии генов у мышей в возрасте 12 и 18 месяцев. По словам Висс-Корея, возраст этих мышей в мышиных годах примерно равен возрасту человека в возрасте 50 лет.
«Мы не можем однозначно сказать, как изменения экспрессии генов в белом веществе влияют на память и познание. Это потребует дополнительных генетических манипуляций и нейробиологической работы», — отметил он. «Но мы знаем, что белое вещество — это проводка, которая соединяет разные области мозга вместе».
Предыдущие исследования показали, что старение нарушает стабильный в остальном паттерн экспрессии генов в мозге, включая гены, регулирующие воспаление и иммунный ответ, и отключая гены, ответственные за синтез белка и коллагена. Воспаление и иммунный ответ влияют на целостность миелиновой оболочки, изоляционного слоя вокруг нервов, ответственных за передачу сигналов через мозг.
«Белое вещество было довольно запущенной областью в исследованиях старения, которые обычно сосредотачиваются на областях с высокой плотностью нейронов, таких как кора или гиппокамп», — сказал Оливер Хан (Oliver Hahn), ведущий автор статьи. «Тот факт, что в наших данных белое вещество становится областью особой уязвимости к старению, открывает новые и интригующие гипотезы».
Тестовые вмешательства
Вмешательства, направленные на замедление генетического сдвига, который приводит к ухудшению состояния определенных областей мозга, могут быть полезны для лечения нейродегенеративных заболеваний, а также общего ухудшения, связанного со старением.
В ходе исследования команда ученых изучила два вмешательства — ограничение калорий и инъекции плазмы молодых мышей — чтобы оценить, защищают ли они от специфичных для области сдвигов в экспрессии генов. Каждое вмешательство начиналось, когда мышам было 19 месяцев, и продолжалось четыре недели.
Исследователи обнаружили, что вмешательство в диету вызывало включение генов, связанных с циркадными ритмами, в то время как воздействие плазмы включало гены, участвующие в дифференцировке стволовых клеток и созревании нейронов, что приводило к избирательному изменению экспрессии возрастных генов.
«Вмешательства, по-видимому, воздействовали на очень разные области мозга и вызывали поразительно разные эффекты», — сказал Хан. «Это говорит о том, что в мозгу есть несколько областей и путей, которые могут улучшить когнитивные способности в пожилом возрасте».
Ученые также изучили возрастные изменения в генах, связанных с тремя нейродегенеративными заболеваниями — болезнью Альцгеймера, болезнью Паркинсона и рассеянным склерозом, — которые обычно поражают определенные области мозга. Распределение экспрессии для каждого гена изменилось у старых животных и произошло в областях мозга, которые обычно не связаны с конкретным нейродегенеративным состоянием. Это открытие может дать представление об огромном количестве пациентов с нейродегенеративными заболеваниями без твердой генетической связи.
Исследование также может предложить новые возможности для изучения методов лечения и вмешательств с использованием данных об экспрессии генов, чтобы сосредоточиться на клеточных популяциях, уязвимых к старению. Будущие исследования могут изучить, как экспрессия генов приводит к функциональным изменениям активности и структуры нейронов. Висс-Корей и его коллеги стремятся расширить эту работу, создав аналогичные генетические атласы старения человеческого мозга.
«Индивидуальные генные изменения, наблюдаемые у мышей, могут не переноситься напрямую на людей», — заключает Висс-Корей. «Но мы считаем, что уязвимость белого вещества к старению, вероятно, имеет место быть».
Авторы другого исследования утверждают, что у пациентов с черепно-мозговой травмой обнаружены признаки быстрого старения мозга.
