Каждый год тысячи людей страдают от травм спинного мозга, что часто приводит к параличу и необходимости в использовании аппарата искусственной вентиляции лёгких. К сожалению, респираторные осложнения остаются наиболее частой причиной смерти пациентов с такими повреждениями.
История актёра Кристофера Рива наглядно показывает серьёзность этой проблемы. Актёр, известный по роли Супермена, получил тяжёлую травму при верховой езде, после чего остался парализованным и зависимым от вентилятора. Он и его жена Дана Рив основали фонд, который финансирует исследования травм спинного мозга и помогает пациентам.
Учёные из Медицинской школы Case Western Reserve University обнаружили, что особая группа нервных клеток — интернейроны — играет значительную роль в регуляции дыхания, особенно при физической нагрузке. Исследование, опубликованное в журнале Cell Reports, открывает новые возможности для восстановления дыхательной функции после травм спинного мозга.
Детали исследования
Хотя ритмом дыхания управляет ствол мозга, ранее были неизвестны нейронные пути, которые усиливают этот процесс. Чтобы изучить их, исследователи исследовали нейроны спинного мозга генетически модифицированных мышей, анализируя их связи и активность во время дыхания.
Особое внимание было уделено типу нервных клеток под названием Pitx2+ V0C интернейроны. Было установлено, что эти нейроны напрямую связаны с мотонейронами диафрагмы и контролируют главную дыхательную мышцу.
Исследование показало, что эти интернейроны усиливают работу дыхательной системы, помогая организму адаптировать дыхание при повышении уровня углекислого газа (CO₂) в крови. Когда учёные блокировали сигналы этих нейронов, мыши теряли способность усиливать дыхание при высоких концентрациях CO₂. Это указывает на то, что эти интернейроны представляют собой систему, усиливающую дыхание, регулирующую его интенсивность во время физической нагрузки.
Это открытие расширяет наши знания о контроле дыхания, показывая, что нервная система регулирует его интенсивность через сети спинного мозга, а не только за счёт ствола мозга.
В настоящее время исследователи изучают, как эти нейроны взаимодействуют с другими частями ствола мозга, чтобы безопасно контролировать их активность.
Интервью с доктором Поликсени Филиппиду
Medscriptum: Были ли у вас неожиданные открытия, связанные с нейронами спинного мозга или животными моделями, которые противоречили предыдущим гипотезам?
Dr. Philippidou: Изначально мы использовали вирус бешенства, чтобы проследить нейронную сеть диафрагмы. Целью было изучить нейроны, имеющие прямую связь с мотонейронами диафрагмы. Мы ожидали найти преимущественно нейроны в стволе мозга, так как они управляют ритмом дыхания. Было неожиданно, что холинергические интернейроны спинного мозга обеспечивают значительную часть (~10%) информации для мотонейронов диафрагмы. Это был первый сигнал, что эта популяция может играть ключевую роль в модуляции дыхания.
Medscriptum: Видите ли вы сходство с другими ритмическими процессами, например сердцебиением или пищеварением, которые могут контролироваться аналогичными механизмами спинного мозга?
Dr. Philippidou: Наше открытие показывает, что эти интернейроны представляют собой особую систему усиления дыхания. Они увеличивают объём вдыхаемого воздуха, не изменяя ритм или частоту. Эти нейроны выполняют аналогичную функцию при движении: повышают активность мотонейронов при сложных задачах, например плавании. Поэтому можно предположить, что они могут одновременно усиливать дыхание, движение и, возможно, сердцебиение при физической нагрузке.
Medscriptum: Известна тесная связь дыхания и настроения. Возможны ли их участие в тревожности или расслаблении?
Dr. Philippidou: Нейронные связи, связывающие дыхание с эмоциональным состоянием, постепенно выявляются. Гиперкапния (повышенный уровень CO₂) может вызывать тревогу и панические атаки. Так как эти интернейроны участвуют в дыхательной реакции на высокие уровни CO₂, их дисфункция может усиливать тревожность.
Medscriptum: Как вы отбирали важнейшие результаты для публикации и есть ли выводы, которым вы хотели бы уделить больше внимания?
Dr. Philippidou: Мы сосредоточились на роли холинергических интернейронов спинного мозга в дыхательной реакции на гиперкапнию, так как это хорошо описанная реакция, требующая увеличения выхода мотонейронов диафрагмы. Однако это может быть лишь одна из функций этих нейронов. Мы также обнаружили другие популяции интернейронов, связанные с мотонейронами диафрагмы, функции которых пока не изучены. В будущем мы хотим определить полный спектр дыхательных процессов, в которых они участвуют.
Medscriptum: Возможно ли, что в будущем с помощью оптогенетики, портативных стимуляторов или генной терапии мы сможем контролировать эти сети спинного мозга для реабилитации человека?
Dr. Philippidou: Это захватывающая перспектива. Возможно, влияние на эти интернейроны позволит улучшить дыхание при его нарушении, например после травмы спинного мозга, при БАС или возрастных изменениях. Главное — найти способы воздействия на дыхательные нейроны без повреждения других нейронов. Фундаментальные исследования крайне важны для создания новых терапий.
Medscriptum: Почему такое «фундаментальное открытие» важно в эпоху технологических медицинских инноваций?
Dr. Philippidou: Чтобы исправить ошибки, нужно понять, как работает система. Без знания развития и функционирования нейронных сетей мозга и спинного мозга сложно разрабатывать методы лечения нейроразвивающихся и нейродегенеративных заболеваний, таких как аутизм или БАС. Часто неожиданные открытия происходят именно в фундаментальных исследованиях — пример CRISPR, изначально открытого как бактериальная защитная система, а теперь используемого для новых терапий.
Medscriptum: Чем ваша команда занимается в настоящее время?
Dr. Philippidou: Мы изучаем, может ли влияние на эти интернейроны помочь восстановить дыхательную функцию при заболеваниях мотонейронов, таких как БАС. Также изучаем, как эти нейроны во время развития соединяются исключительно с мотонейронами диафрагмы, а не с другими популяциями мотонейронов.
