Когда в 2012 году Лицюнь Луо писал вводный учебник по нейробиологии, он оказался в затруднительном положении. Ему нужно было включить раздел о жизненно важной системе мозга, контролируемой химическим посредником серотонином, который участвует во всем, от настроения до регуляции движений. Но до сих пор было далеко не ясно, какое влияние серотонин оказывает на мозг млекопитающих.
"Ученые сообщали о разных выводах," сказал Луо, профессор Энн и Билла Суинделлов в Школе гуманитарных и естественных наук Стэнфордского университета. "Некоторые обнаружили, что серотонин способствует получению удовольствия. Другая группа сказала, что он увеличивает тревогу, подавляя передвижение, в то время как другие утверждали обратное."
Перенесемся на шесть лет вперед, и команда Луо считает, что сумела согласовать эти ранее противоречивые результаты. Используя изобретенные ими нейроанатомические методы, его группа показала, что серотониновая система на самом деле состоит как минимум из двух, а может быть, и из более параллельных подсистем, которые работают согласованно, воздействуя на мозг разными, а иногда и противоположными способами. Например, одна подсистема способствует тревоге, а другая способствует активному преодолению трудностей.
"Понимание полевых исследований системы серотонина было похоже на историю о слепых, прикоснувшихся к слону," Ло сказал. "Ученые открывали различные функции серотонина в головном мозге и приписывали их монолитной системе серотонина, что, по крайней мере, частично объясняет споры о том, что на самом деле серотонин делает. Это исследование позволяет нам одновременно видеть разные части слона."
Результаты, опубликованные в Интернете 23 августа в журнале Cell, могут иметь значение для лечения депрессии и тревоги, что включает в себя назначение таких препаратов, как прозак, нацеленных на серотониновую систему – так называемые СИОЗС (селективные ингибиторы обратного захвата серотонина). Однако эти препараты часто вызывают множество побочных эффектов, некоторые из которых настолько невыносимы, что пациенты перестают их принимать.
"Если мы сможем индивидуально воздействовать на соответствующие пути серотониновой системы, тогда мы сможем устранить нежелательные побочные эффекты и лечить только расстройство," сказал первый автор исследования Цзин Жэнь, научный сотрудник лаборатории Луо.
Организованные проекции нейронов
Ученые из Стэнфорда сосредоточили свое внимание на области ствола мозга, известной как спинной шов, которая содержит самую большую в мозгу млекопитающих концентрацию нейронов, которые все передают сигналы, выделяя серотонин (около 9000).
Нервные волокна или аксоны этих нейронов спинного шва отправляют разветвленную сеть соединений со многими критическими областями переднего мозга, которые выполняют множество функций, включая мышление, память и регулирование настроения и функций организма. Путем инъекции вирусов, которые инфицируют серотониновые аксоны в этих областях, Рен и ее коллеги смогли проследить связи с исходными нейронами в спинном шве.
Это позволило им создать визуальную карту проекций между плотной концентрацией высвобождающих серотонин нейронов в стволе мозга и различных областей переднего мозга, на которые они влияют. На карте были обнаружены две отдельные группы нейронов, высвобождающих серотонин, в дорсальном шве, которые связаны с корковыми и подкорковыми областями головного мозга.
"Серотониновые нейроны в спинном шве проецируются во множество мест по всему мозгу, но эти группы мест организованы," Ло сказал. "Это не было известно раньше."
Две части слона
В серии поведенческих тестов ученые также показали, что серотониновые нейроны из двух групп могут по-разному реагировать на стимулы. Например, нейроны в обеих группах срабатывали в ответ на мышей, получающих вознаграждение, например, глоток сахарной воды, но они демонстрировали противоположные реакции на наказания, такие как легкие удары ногами.
"Теперь мы понимаем, почему одни ученые думали, что серотониновые нейроны активируются наказанием, в то время как другие думали, что это ингибируется наказанием. Оба верны – это просто зависит от того, на какой подтип вы смотрите," Ло сказал.
Более того, группа обнаружила, что сами серотониновые нейроны были более сложными, чем первоначально предполагалось. Вместо того, чтобы просто передавать сообщения с помощью серотонина, нейроны, проецирующие корковый слой, также выпускают химический мессенджер, называемый глутамат, что делает их одним из немногих известных примеров нейронов в головном мозге, которые выделяют два разных химических вещества.
"Возникает вопрос, должны ли мы вообще называть эти серотониновые нейроны, потому что нейроны названы в честь нейротрансмиттеров, которые они выделяют," Рен сказал.
Взятые вместе, эти результаты показывают, что серотониновая система мозга состоит не из однородной популяции нейронов, а из множества субпопуляций, действующих согласованно. Команда Луо определила две группы, но может быть и много других.
Фактически, Роберт Маленка, профессор и доцент кафедры психиатрии и поведенческих наук в Медицинской школе Стэнфорда, и его команда недавно обнаружили группу серотониновых нейронов в спинном шве, которые проецируются на прилежащее ядро, часть мозга, которая способствует социальное поведение.
"Две группы, которые мы обнаружили, не отправляют аксоны в прилежащее ядро, так что это явно третья группа," Ло сказал. "Мы определили две части слона, но есть еще части, которые нужно обнаружить."