Почти все клетки головного мозга содержат реснички – антенноподобные органеллы на основе микротрубочек. Когда-то считалось, что реснички представляют собой рудиментарные органеллы – ученые не находили данные об их участии в функциях мозга высшего порядка. Однако в новой работе исследователей из Калифорнийского университета, опубликованной в Molecular Neurobiology, сообщается, что удаление ресничек из области полосатого тела мозга нарушает восприятие времени.
Схематический вид экспериментального плана и проведенных анализов поведения и их последовательности.Credit: Molecular Neurobiology (2022)
Первичные реснички (цилии) – антенноподобные органоиды, отходящие от клеточной поверхности – функционируют как рецепторы сенсорных стимулов окружающей среды, которые преобразуют информацию для того, чтобы генерировать соответствующие клеточные ответы. Ресничками обогащена особая структура головного мозга – полосатое тело. Оно получает и интегрирует различные типы информации об окружающей среде для управления соответствующей двигательной реакцией. Однако до сих пор точная роль ресничек в полосатом теле неизвестна.
Также в недавних работах, например, показано, что большинство цилиопатий (генетическое нарушение структуры и функций цилий) сопряжено с развитием когнитивных нарушений. Таковые наблюдаются при шизофрении, аутизме, биполярном расстройстве и большом депрессивном расстройстве. Однако роль ресничек в когнитивных функциях высшего порядка почти не исследована.
Изучением этого вопроса занялись исследователи из Калифорнийского университета (США). В своей новой работе они провели эксперимент, в котором с помощью молекулярных манипуляций с генами удаляли реснички в клетках полосатого тела мышей, а затем отслеживали изменения в их поведении.
Полученные данные впервые указали на существенную роль ресничек полосатого тела в сенсомоторной и исполнительной функциях. Но самое интересное наблюдение, сделанное исследователями при согласовании результатов, состоит в том, что нарушенные функции у мышей с удаленными ресничками полосатого тела имеют общий фундаментальный аспект – нарушение восприятия времени. То есть мыши утрачивают способность быстро корректировать поведение в ответ на изменение окружающей среды и, таким образом, не могут поддерживать соответствующую целенаправленную двигательную реакцию.
Итак, первое, что выяснили исследователи – удаление ресничек из полосатого тела подопытных мышей не повлияло на их спонтанную моторику, однако их двигательная активность оказалась ниже непосредственно после помещения их в новую среду, что, вероятно, означает снижение реакции на новые условия.
Также результаты эксперимента по оценке координации движений позволили исследователям предположить, что цилии полосатого тела играют существенную роль в приобретении новых двигательных навыков, но не в поддержании уже изученных. Однако авторы работы все же отмечают, что не могут сделать конкретное заключение о том, опосредована ли эта функция ресничек обработкой и интеграцией новой сенсорной информации или координацией временной последовательности моторных реакций. Они предполагают, что реснички могут быть вовлечены в оба механизма.
В поддержку этого предположения исследователи приводят результаты, которые показывают, что удаление ресничек в полосатом теле нарушает сенсомоторную фильтрацию – способность мозга реагировать на сенсорный стимул, подавляя двигательную реакцию. С помощью этого механизма мозг фильтрует ненужную сенсорную информацию, предварительно обрабатывает ее и передает в двигательные выходные системы.
Роль ресничек в сенсомоторных функциях дополнительно подтверждается тем, что мыши с удаленными ресничками демонстрируют чрезмерное повторяющееся поведение, проявляющееся в повышенном уходе за собой. Повторяющееся поведение – результат чрезмерно автоматизированных действий или преувеличения привычного поведения.
Далее исследователи проверили влияние удаления ресничек полосатого тела на три типа памяти: рабочую, кратковременную и долговременную. Результаты показали, что это ухудшает пространственную рабочую память и кратковременную социальную память, а также задерживает принятие решений и выполнение задач в тесте на рабочую память, но не влияет на какие-либо типы долговременной памяти.
Возвращаясь к нарушению восприятия времени, исследователи отмечают, что оно встроено в обработку и интеграцию сенсорной информации окружающей среды, а также в двигательные и исполнительные действия. Оценка времени позволяет своевременно выбирать соответствующие сенсорные реакции на окружающую среду.
Восприятие времени также имеет решающее значение для когнитивных процессов. Успешное функционирование рабочей памяти, внимания и принятия решений требует точное определение времени, обычно в диапазоне от миллисекунды до минуты. В контексте рабочей памяти кодирование, поддержание и синхронизация элементов стимула представлены в определенных временных последовательностях.
Авторы исследования отмечают, что наблюдаемые ими изменения в поведении подопытных мышей похожи на клинические проявления специфических неврологических и психических расстройств, связанных как с функциями полосатого тела, так и с дефицитом восприятия времени. Исследователи полагают, что их работа открывает новые возможные мишени для терапии психических и неврологических состояний, включая шизофрению, болезни Паркинсона и Гентингтона, расстройства аутистического спектра и синдром Туретта.
Текст: Анна Удоратина
Cilia in the Striatum Mediate Timing-Dependent Functions by Amal Alachkar et al. Molecular Neurobiology. Published November 2022.
