Исследователи из Медицинского института Говарда Хьюза (Howard Hughes Medical Institute) и Колумбийского университета (Columbia University) определили, каким образом семейство белков, получивших обозначение Hox, управляет дифференциацией моторных нейронов спинного мозга. Эта работа позволяет понять, как каждый нейрон соединяется с той или иной конкретной мышцей.

На поперечном срезе спинного мозга (см. ниже) хорошо видно разделение на белое и серое вещество. Белое вещество состоит в основном из аксонов — длинных отростков нейронов, по которым вдоль спинного мозга передаются сигналы. В сером веществе, которое имеет вид бабочки, располагаются сами нейроны, отвечающие за обработку сигналов. В задних «крыльях бабочки» – дорсальных рогах серого вещества спинного мозга – собраны нейроны, которые принимают сигналы от всех частей тела и передают их в мозг. В передних же «крыльях» (вентральных рогах) содержатся двигательные нейроны. Каждый двигательный нейрон соединен с определенной мышцей. Здесь и те мышцы, которыми человек может управлять сознательно, и те, которые сокращаются рефлекторно. Всего в сером веществе спинного мозга порядка 100 тысяч двигательных нейронов.

Группа под руководством Томаса Джессела (Thomas M. Jessell) уже давно исследует, как клетки спинного мозга определяют, к каким именно мышцам протянуть свои чувствительные отростки — аксоны. Этот процесс начинается еще в период эмбрионального развития. И по мере роста организма аксоны прорастают сквозь всё тело – иннервируют его. До недавнего времени было непонятно, каким образом первоначально однородная нервная ткань начинает настолько тонко дифференцироваться, что каждая нервная клетка четко знает зону своей ответственности. К примеру, у человека участок в районе шестого шейного позвонка отвечает за мышцы предплечья и большого пальца, а второй и третий брюшные позвонки связаны с мышцами на передней стороне бедер.

Два года назад группа Джессела обнаружила, что первые шаги к специализации определяются белками из семейства Hox-c. Появление того или иного белка из этого семейства в нервных клетках направляет их развитие в соответствии с функциями определенного участка спинного мозга. В свою очередь, появление в разных участках эмбриона разных белков семейства Hox-c удалось связать с градиентом концентрации различных факторов роста вдоль позвоночника зародыша. Из-за этого в разных участках тела проявляют активность разные гены.

Поперечное сечение спинного мозга. Видно серое вещество. Двигательные нейроны сосредоточены в вентральных рогах (иллюстрация с сайта www.vh.org)

И всё же объяснение не было исчерпывающим. Ведь даже в пределах одного участка спинного мозга нейроны связываются с разными мышцами. Поэтому работа была продолжена. Сначала были созданы антитела для каждого из 21 белка семейства Hox-c, а затем проведено подробное картирование спинного мозга. Для этого брались отдельные двигательные нейроны и в них проверялось содержание всех белков данного семейства. Оказалось, что внутри каждого участка серого вещества, связанного, например, с одной конечностью, имеется по крайней мере 50 различных типов нейронов, получивших название нейронных пулов.

Экспериментируя с эмбрионами цыплят, группа Джессела определила время и место появления каждого из Hox-белков в двигательных нейронах крыла цыпленка, сообщается в пресс-релизе Медицинского института Говарда Хьюза. В результате стало ясно, что белки экспрессируются по строгой схеме, которая определяется анатомией нейронных пулов.

Анализируя карту распределения белков Hox, исследователи смогли выявить четкую трехуровневую схему кодирования, которая управляет дифференциацией и соединениями двигательных нейронов. На первом уровне происходит дифференциация по участкам позвоночного столба, на втором определяется, с какими мышцами будут связаны группы нейронов — на внешней или на внутренней стороне конечности, и, наконец, на третьем этапе выделяются нейронные пулы, связанные с конкретными мышцами. Чтобы убедиться в правильности модели, был проведен ключевой эксперимент. Исследователи искусственно изменили схему экспрессии белков Hox, и это привело к образованию нейронов другого типа, которые стали связываться с другими мышцами.

Авторы работы отмечают, что, хотя на сегодня их исследование относится к разряду фундаментальных, в будущем понимание схемы кодирования нейронных структур может иметь важные клинические применения при лечении травм позвоночника. Одна из главных проблем в таких случаях — невозможность восстановить разорванные аксоны. Новые результаты дают надежду, что, возможно, со временем удастся управлять ростом и соединениями нервных клеток и тем самым обеспечить восстановление утраченных двигательных функций.