Разговор, пение, кашель, смех, крик, зевание, пережевывание пищи — мы используем наши челюсти для многих целей. Каждое действие требует сложной координации мышц, активность которых управляется нейронами в мозге. Каждое действие требует сложной координации мышц, деятельность которых контролируется нейронами в мозге. Но оказалось, что нейронная схема, лежащая в основе самого важного для выживания движения челюстей - приема пищи, - удивительно проста, о чем исследователи из Рокфеллеровского университета недавно рассказали в новой статье в журнале Nature.
Кристин Коссе и другие ученые из Лаборатории молекулярной генетики под руководством Джеффри М. Фридмана выявили трехнейронную цепь, которая связывает гормон, подающий сигнал голода, с жевательными движениями челюстей. Посредником между ними является группа нейронов в определенной области гипоталамуса, повреждение которой, как давно известно, приводит к ожирению.
Поразительно, но ингибирование этих так называемых BDNF-нейронов не только заставляет животных потреблять больше пищи, но и побуждает челюсти совершать жевательные движения даже в отсутствие пищи или других сенсорных сигналов, которые бы указывали на то, что пора есть. А их стимуляция снижает потребление пищи и останавливает жевательные движения, действуя как эффективное средство против голода.
Простая архитектура этой цепи позволяет предположить, что импульс к еде может быть более похож на рефлекс, чем считалось ранее, и может дать новый ключ к разгадке того, как контролируется начало приема пищи. “Удивительно, что эти нейроны так сильно связаны с моторным контролем. Мы не ожидали, что ограничение физических движений челюстей может действовать как своего рода подавитель аппетита”, - говорит первый автор исследования Кристин Коссе, научный сотрудник лаборатории.
Импульс к еде обусловлен не только голодом, но и многими факторами. Мы также едим ради удовольствия, общения, ритуала и привычки; запах, вкус и эмоции тоже могут влиять на то, будем ли мы есть. У людей прием пищи также может регулироваться сознательным желанием потреблять больше или меньше. Причины ожирения не менее сложны и являются результатом динамичного взаимодействия диеты, окружающей среды и генов. Например, мутации в нескольких генах, включая лептин, гормон, подавляющий голод, и нейротрофический фактор мозга (BDNF), приводят к грубому перееданию, метаболическим изменениям и крайнему ожирению, что говорит о том, что оба фактора в норме подавляют аппетит.
Когда команда Фридмана начала это исследование, они стремились точно определить местоположение нейронов BDNF, которые подавляют переедание. Это не удавалось ученым на протяжении многих лет, поскольку нейроны BDNF, которые также являются основными регуляторами развития, дифференцировки и выживания нейронов, широко распространены в мозге.
В нынешнем исследовании они сосредоточились на вентромедиальном гипоталамусе (ВМГ) - области глубокого мозга, связанной с регуляцией уровня глюкозы и аппетита. Хорошо известно, что повреждение ВМГ может привести к перееданию и, в конечном счете, к ожирению у животных и людей, как и мутировавшие белки BDNF. Возможно, ВМГ играет регулирующую роль в пищевом поведении.
Они надеялись, что, задокументировав влияние BDNF на пищевое поведение, они смогут найти нейронную цепь, лежащую в основе процесса преобразования сенсорных сигналов в движения челюстей. Впоследствии они обнаружили, что нейроны BDNF в ВМГ - но не в других местах - активируются при ожирении животных, что позволяет предположить, что они активируются при наборе веса, чтобы подавить потребление пищи. Таким образом, когда эти нейроны отсутствуют или происходит мутация BDNF, животные становятся тучными.
Жевание без еды
В серии экспериментов исследователи использовали оптогенетику для экспрессии или ингибирования нейронов BDNF в вентромедиальном гипоталамусе мышей. Когда нейроны активировались, мыши полностью прекращали питаться, даже когда были заведомо голодны. Их глушение дало обратный эффект: мыши начали есть, поглощая почти на 1200% больше пищи, чем обычно, за короткий промежуток времени.
“Когда мы увидели эти результаты, то сначала подумали, что, возможно, нейроны BDNF кодируют валентность. Мы задались вопросом, регулируя работу этих нейронов, мыши испытывают негативное чувство голода или, может быть, позитивное чувство, когда едят вкусную пищу”, - говорит Коссе. Но последующие эксперименты опровергли эту идею. Независимо от того, какую пищу давали мышам - стандартный корм или пищу с большим содержанием жира и сахара, например, мышиный эквивалент шоколадного муссового торта, - они обнаружили, что активация нейронов BDNF подавляла потребление пищи. А поскольку голод - не единственная мотивация для приема пищи, как может подтвердить любой, кто не может пропустить десерт, мышам, которые уже были хорошо накормлены, также предлагали высококалорийную пищу. Животные наедались до тех пор, пока исследователи не подавляли нейроны BDNF, после чего они сразу же переставали есть.
“Поначалу этот вывод вызвал недоумение, поскольку предыдущие исследования говорили о том, что “гедонистическое” стремление есть ради удовольствия совершенно отличается от стремления к голоду, которое представляет собой попытку подавить негативное чувство, или негативную валентность, связанную с голодом, с помощью еды. Мы продемонстрировали, что активация нейронов BDNF может подавить оба желания”.
Не менее поразительно и то, что ингибирование BDNF заставляло мышей совершать жевательные движения челюстями, направленные на любой объект, находящийся поблизости, даже когда пища была недоступна. Это стремление грызть и кусать было настолько сильным, что мыши грызли все вокруг - металлический носик кормушки для воды, деревянный брусок, даже провода, контролирующие их нейронную активность.
Трехкомпонентная нейронная цепь
Но как этот переключатель моторного контроля связан с потребностью или желанием организма в еде?
Составив карту входов и выходов нейронов BDNF, исследователи обнаружили, что нейроны BDNF являются стержнем трехкомпонентной нейронной цепи, связывающей гормональные сигналы, регулирующие аппетит, с движениями, необходимыми для его потребления.
На одном конце цепи находятся специальные нейроны в области дугообразного ядра (Arc) гипоталамуса, которые улавливают сигналы голода, такие как гормон лептин, вырабатываемый жировыми клетками (высокое содержание лептина означает, что энергетический резервуар полон, а низкий уровень лептина говорит о том, что пора поесть. Животные, у которых лептин отсутствует, страдают ожирением). Нейроны Arc проецируются в вентромедиальный гипоталамус, где их сигналы улавливаются нейронами BDNF, которые затем проецируются непосредственно в центр ствола мозга под названием Me5, контролирующий движение челюстных мышц.
“Другие исследования показали, что если уничтожить нейроны Me5 у мышей во время развития, то животные будут голодать, потому что не смогут пережевывать твердую пищу. Поэтому вполне логично, что когда мы манипулируем нейронами BDNF, проецирующимися туда, мы видим движения челюстей”. Это также объясняет, почему повреждение ВМГ вызывает ожирение, говорит Фридман. “Доказательства, представленные в нашей статье, показывают, что ожирение, связанное с этими повреждениями, является результатом потери этих BDNF-нейронов, а полученные данные объединяют известные мутации, вызывающие ожирение, в относительно последовательную цепь”.
Полученные результаты свидетельствуют о более глубокой связи между ощущениями и поведением, добавляет он. “Архитектура цепи питания не сильно отличается от архитектуры рефлекса. Это удивительно, ведь прием пищи - сложное поведение, в котором многие факторы влияют на то, начнете ли вы его, но ни один из них не гарантирует этого. С другой стороны, рефлекс прост: определенный стимул и неизменная реакция. В каком-то смысле эта работа показывает, что грань между поведением и рефлексом, вероятно, более размыта, чем мы думали. Мы предполагаем, что нейроны в этой цепи являются мишенью для других нейронов в мозге, которые передают другие сигналы, регулирующие аппетит”, - говорит Фридман.
Эта гипотеза согласуется с работами нейрофизиолога начала XX века Чарльза Шеррингтона, который отмечал, что хотя кашель регулируется типичным рефлексом, он может модулироваться сознательными факторами, например, желанием подавить его в переполненном театре.
Коссе добавляет: “Поскольку питание так необходимо для базового выживания, эта схема, регулирующая потребление пищи, может быть древней. Возможно, она была субстратом для все более сложных процессов, которые происходили по мере эволюции мозга”.
В связи с этим в будущем исследователи хотят изучить область ствола мозга, известную как Me5, полагая, что двигательный контроль челюстей может стать полезной моделью для понимания других видов поведения, включая компульсивные, связанные со стрессом действия ртом, такие как разгрызание карандашной резинки или прядей волос.
“Исследуя эти премоторные нейроны в Me5, мы сможем понять, существуют ли другие центры, которые проецируются в эту область и влияют на другие врожденные формы поведения, как это делают нейроны BDNF при приеме пищи. Есть ли там нейроны, активируемые стрессом, или другие нейроны, которые также проецируются туда?”
Университет Рокфеллера. Пер.: PSYCHOL-OK.RU
