Обескураженные данио-рерио помогают понять, как кетамин действует на мозг
Известный десятилетиями анестетик кетамин может стать революционным средством в лечении тяжелой депрессии, но все еще остается много вопросов о том, как действует этот препарат, в том числе о том, как именно он влияет на клетки и нейронные цепи мозга.
Чтобы ответить на эти вопросы, исследователи обращаются к необычному животному: крошечной рыбке данио-рерио возрастом всего несколько дней.
Длиной в миллиметры, полупрозрачные рыбки данио-рерио, возможно, не впадают в депрессию так же, как люди, но рыбы действительно демонстрируют поведение «сдачи» : они прекращают плавание, когда понимают, что никуда не движутся, — пассивное поведение, которое ученые используют для изучения депрессии у животных.
Используя это поведение, возможность получать изображения всего мозга данио-рерио и уникальную систему виртуальной реальности, группа исследователей из исследовательского кампуса Джанелия при Институте данио-рерио, Гарварда и Университета Джонса Хопкинса обнаружила, где в мозге данио-рерио действует кетамин : на опорные клетки, называемые астроглией, а не на нейроны.
Работа опубликована в журнале Neuron .
Предыдущие исследования ученых Janelia показали, что астроглия действует как счетчик, который сообщает рыбе, когда сдаваться. Когда рыба регистрирует, что она никуда не плывет, она плывет сильнее, и активность астроглии нарастает. Когда активность астроглии достигает порогового значения, клетки подают сигнал нейронам, чтобы рыба прекратила плавание.
Новое исследование показывает, что кратковременное воздействие кетамина вызывает длительное подавление поведения «сдаться» путем чрезмерной стимуляции астроглии. Эта сверхстимуляция, которая происходит посредством стимуляции кетамином норадренергических нейронов, активирующих астроциты, по-видимому, впоследствии снижает чувствительность счетчика астроглии, заставляя рыбу продолжать плавать нормально, даже если она никуда не движется.
Играть
00:00
00:30
Немой
Настройки
ПИП
Перейти в полноэкранный режим
Играть
Используя установку виртуальной реальности, команда зафиксировала личиночную рыбу данио-рерио на месте и показала ей различные визуальные паттерны. Первые 10 секунд показывают рыбу в состоянии покоя. Когда рыба видит паттерн, имитирующий движение назад (замкнутый цикл), она машет хвостом, как будто плывет вперед, и паттерн реагирует на действия рыбы. Когда паттерн меняется на паттерн, имитирующий застревание на месте (открытый цикл), рыба сначала сопротивляется, затем сдается, становится пассивной и прекращает плавать. Автор: Дюк, Чен, Сю и др.
«В нашей статье предполагается, что астроглия, эта ненейрональная популяция клеток, играет очень важную роль, и что некоторые из ключевых эффектов этих антидепрессантов происходят через изменения в физиологии астроглии», — говорит Алекс Чен, аспирант лаборатории Аренса в Джанелии и лаборатории Энгерта в Гарварде, а также один из ведущих авторов статьи.
Результаты работы команды, которые также показывают, что астроциты активируются аналогичным образом у мышей, могут помочь исследователям получить более ясную картину того, как антидепрессанты действуют в мозге, что потенциально может привести к разработке более безопасных и эффективных препаратов для лечения депрессии. Понимание того, как антидепрессанты действуют на молекулярном уровне, десятилетиями ставило ученых в тупик, поскольку большая часть их работы была сосредоточена на воздействии препаратов на нейроны.
«Я думаю, наше исследование показывает, что изучение этих астроцитов для поиска новых методов лечения может быть интересным направлением», — говорит Марк Дуке Рамирес, аспирант лаборатории Энгерта и один из ведущих авторов статьи.
Использование данио-рерио для тестирования кетамина
Проект начался, когда команда под руководством Дуке и Чена захотела проверить, можно ли использовать данио-рерио для тестирования антидепрессантов, которые, как известно, работают на людях и ранее были протестированы на грызунах. Поскольку данио-рерио маленькие и полупрозрачные, исследователи могут визуализировать весь мозг каждого животного, чтобы лучше отслеживать эффекты препарата.
Ранее в лаборатории Аренса было показано, что у рыбок данио-рерио проявляется черта, известная как пассивность, вызванная тщетностью, или «сдаться», — поведение, которое также наблюдается у грызунов.
Используя установку виртуальной реальности, исследователи зафиксировали рыбу на месте и показали ей различные визуальные узоры. Когда рыбы видели узор, имитирующий движение назад, они шевелили хвостами, как будто плыли вперед. Когда узор менялся на узор, имитирующий застревание на месте, животные сначала боролись, затем сдавались, становились пассивными и прекращали плавать.
Играть
00:00
00:30
Немой
Настройки
ПИП
Перейти в полноэкранный режим
Играть
Используя установку виртуальной реальности, команда зафиксировала личиночную рыбу данио-рерио, обработанную кетамином, на месте и показала ей различные визуальные паттерны. Первые 10 секунд рыба показана в состоянии покоя. Когда рыба видит паттерн, имитирующий движение назад (замкнутый цикл), она машет хвостом, как будто плывет вперед, и паттерн реагирует на действия рыбы. Когда паттерн меняется на паттерн, имитирующий застревание на месте (открытый цикл), рыба, обработанная кетамином, сначала сопротивляется, но не сдается так легко и менее пассивна, чем необработанная рыба. Автор: Дуке, Чен, Сю и др.
В новой работе исследователи показывают, что кетамин подавлял это поведение отказа более суток. Хотя рыбы все еще боролись, когда их плавание не было эффективным, они не сдавались так легко и были менее пассивными.
Авторы также протестировали другие быстродействующие антидепрессанты, такие как психоделические соединения, и обнаружили снижение пассивности, как они видели с кетамином. С другой стороны, стресс-индуцирующие методы лечения, такие как хронические глюкокортикоиды, усиливали поведение отказа.
Визуализация показывает действие на астроглию
Затем команда обратила внимание на то, что препарат делает в мозге рыбы. Предыдущие исследования лаборатории Аренса показали, что действие отказа связано с типом глиальных клеток, называемых радиальными астроцитами.
Визуализация всего мозга показала, что кетамин увеличил количество кальция в астроцитах, что свидетельствует о том, что препарат активировал эти клетки в течение многих минут после введения.
Исследователи полагают, что хотя кратковременное или быстрое увеличение уровня кальция в астроглии может спровоцировать отказ от попыток, последствия притока кальция, вызванного кетамином, снижают реакцию астроглии на сигнал тщетности, который запускает отказ от попыток, делая рыбу более устойчивой в таких поведенческих ситуациях или менее склонной к отказу от попыток в будущем.
«Она десенсибилизирована, потому что во время кетамина она была настолько гиперактивирована», — говорит старший руководитель группы Janelia Миша Аренс, старший автор статьи. «Это как когда вы принимаете холодный душ — после этого вы немного менее чувствительны к холоду — но на клеточном и молекулярном уровне».
Играть
00:00
00:40
Немой
Настройки
ПИП
Перейти в полноэкранный режим
Играть
Пример видео астроглиальной кальциевой волны в личиночном мозге данио-рерио в ответ на острое лечение кетамином. Кредит: Duque, Chen, Hsu, et al.
Исследователи также обнаружили, что этот же механизм работает у млекопитающих. Эрик Сю, аспирант Университета Джонса Хопкинса и соавтор статьи, обнаружил, что астроциты активируются аналогичным образом у мышей, как при проявлении ими поведения «сдания», так и при воздействии кетамина.
«Это доказательство межвидового сохранения повышает вероятность того, что сопоставимые механизмы существуют и у людей», — говорит Дуайт Берглс, профессор нейробиологии в Университете Джонса Хопкинса и старший автор статьи.
Исследование команды показывает, что кетамин действует на астроциты, повышая уровень норадреналина, хотя как он это делает и как это изменяет физиологию нейронов и астроглии в результате, пока неизвестно. Но результаты указывают на потенциальную роль астроглии в депрессии и могут помочь в будущих исследованиях.
«Нам нужно быть осторожными и не воспринимать эти результаты слишком буквально, но это может быть моделью для частей мозга млекопитающих», — говорит Аренс.