Новое исследование Калифорнийского университета в Сан-Франциско ставит под сомнение наиболее влиятельное из учебников объяснение того, как мозг млекопитающих определяет, когда тело становится слишком теплым, и как он затем управляет множеством реакций, которые животные, в том числе люди, используют для понижения температуры – от "автоматический" физиологические процессы, такие как потоотделение и одышка, до сложных форм поведения, таких как переезд в более прохладную среду. Эти реакции жизненно важны для здоровья, поскольку метаболические процессы, которые поддерживают нас, эволюционировали, чтобы работать в узком температурном диапазоне.
Эксперименты по этим вопросам, проведенные 80 лет назад с использованием крыс и мышей, неоднократно указывали на крошечную область мозга, известную как преоптический гипоталамус (ПОА), как место, которое определяет тепло тела. Но поскольку эта компактная область управляет такими разнообразными функциями, как сон, совокупление, поведение родителей, еда и питье, было трудно точно определить, какие клетки и цепи предназначены для обнаружения тепла и реагирования на него.
"Мы много знаем о том, как температура тела регулируется в периферических тканях, и немного о ключевых регуляторных областях мозга, но идентификация нейронов, которые действуют как главные регуляторы температуры тела, остается неуловимой," сказал Захари Найт из UCSF, доктор философии, доцент физиологии и старший автор нового исследования UCSF, опубликованного в онлайн-выпуске Cell от 8 сентября 2016 г.
В новом исследовании команда, возглавляемая докторантом Чан Лек Таном, доктором философии, использовала инструмент под названием phosphoTRAP, который был разработан в лаборатории Найта за последние пять лет, чтобы определить, какие гены наиболее избирательно экспрессируются в клетках POA, которые были активны, когда мышей помещали в теплую среду. Они обнаружили, что два гена, известные как PACAP и BDNF, специфически экспрессируются в нейронах, активированных в этих условиях.
Затем группа использовала генетические инструменты для размещения флуоресцентных маркеров в клетках POA, экспрессирующих PACAP или BDNF, и обнаружила значительное перекрытие флуоресценции, что означает, что отдельная популяция нейронов POA экспрессирует оба гена на высоких уровнях.
Команда подозревала, что эти нейроны РОА, экспрессирующие PACAP / BDNF, могут быть долгожданными чувствительными к теплу клетками, поэтому они снова использовали генетические инструменты, на этот раз для создания этой популяции клеток, чтобы их активность можно было отслеживать с помощью оптоволокна. Когда мышей помещали в специально построенные камеры, которые допускают быстрые изменения температуры, записи по оптоволокну показали, что клетки PACAP / BDNF становились активными при повышении температуры.
Более того, клетки PACAP / BDNF ответили в течение нескольких секунд, что указывает на то, что они получают данные от термодатчиков в коже. Этот результат резко контрастирует с преобладающими моделями, которые предполагают, что клетки POA каким-то образом обнаруживают тонкие изменения внутренней температуры тела, а не напрямую реагируют на сигналы от сенсорных рецепторов кожи.
Идея о том, что клетки PACAP / BDNF получают информацию от сенсорных рецепторов, получила дополнительную поддержку, когда было обнаружено, что клетки реагируют на применение капсаицина – "горячий" ингредиент в перце чили – для кожи. Известно, что капсаицин активирует специализированные белки, известные как рецепторы TRPV1, которые также реагируют на "настоящий" нагревать. При активации под действием тепла или капсаицина рецепторы TRPV1 посылают сигналы по специализированным нервным волокнам в мозг, и новое исследование показывает, что эти нервные пути контактируют с клетками PACAP / BDNF в POA.
"Быстрый способ, которым эти нейроны контролируют терморегуляцию, которая имеет мало общего с изменением температуры в самом мозгу, идет вразрез с тем, что описано в большинстве учебников," сказал рыцарь.
Клетки не реагировали на низкие температуры, что привело исследователей к выводу, что обнаружение холода, вероятно, осуществляется отдельным нейронным командным центром.
Затем исследовательская группа изменила свою методологию – вместо того, чтобы записывать световые сигналы от клеток PACAP / BDNF, они использовали оптогенетические методы, которые позволяют исследователям использовать свет для выборочного контроля активности клеток, чтобы активировать нейроны PACAP / BDNF по желанию.
Когда команда активировала клетки таким образом, они наблюдали быстрое снижение температуры тела у мышей, которое не зависело от фактической температуры окружающей среды. Исследователи определили, что это снижение температуры было связано с физиологическими реакциями, которые обычно вызываются у мышей в ответ на тепло, включая расширение кровеносных сосудов в хвосте и снижение выработки тепла в жировой ткани.
Наиболее поразительно то, что группа обнаружила, что световая стимуляция клеток PACAP / BDNF вызывает немедленную и устойчивую поведенческую реакцию. После оптогенетической стимуляции этих нейронов мыши немедленно искали более прохладное место на специально разработанной дорожке, которая имела постоянно меняющуюся температуру по всей длине.
Взятые вместе, эти результаты показывают, что определенная группа клеток POA, которые экспрессируют как PACAP, так и BDNF, предназначены для определения высоких температур, что они делают это путем мониторинга сигналов от датчиков в коже и что они вызывают множество как физиологических, так и поведенческих стратегии, чтобы вернуть тело к более прохладной температуре.
Чтобы лучше понять, как клетки PACAP / BDNF управляют этими ответами, группа использовала дополнительные методы визуализации, чтобы сделать первые шаги в картировании выходной схемы клеток PACAP / BDNF. Они обнаружили, что эти клетки связаны с многочисленными областями мозга, которые, как известно, управляют, соответственно, автоматическими физиологическими реакциями и множеством мотивированных форм поведения, которые животные используют, чтобы остыть – находить тень или, у людей, снимать одежду или открывать окно.
"Это отображение впервые дало нам представление о том, как конкретный набор нейронов производит все эти различные температурные реакции," Тан сказал.