Учёные из Кембриджского университета создали крошечные выращенные в лаборатории системы мозга и спинного мозга, которые имитируют передачу двигательных сигналов через нервную систему человека. Используя эту модель, команда обнаружила, что повреждение нервов, которое когда-то считалось необратимым, на самом деле может быть обратимым при определённых условиях.

По мере развития человеческого организма от эмбриона к плоду и затем к младенцу нейроны формируют сложные коммуникационные сети между мозгом и спинным мозгом. Эти сигналы передаются через аксоны — длинные нервные волокна, которые позволяют нейронам отправлять сообщения и контролировать движение мышц. Со временем, однако, центральная нервная система в значительной степени теряет способность восстанавливать повреждённые аксоны. В результате травмы мозга или спинного мозга часто становятся постоянными, приводя к серьёзным инвалидностям, таким как паралич или потеря движения. Эта потеря регенеративной способности также связана с неврологическими заболеваниями, включая болезнь двигательных нейронов и рассеянный склероз.

В 2021 году доктор Андраш Лакатош и его коллеги из Кембриджского университета разработали миниатюрные модели человеческого мозга с использованием стволовых клеток, взятых у пациентов. Эти «органоиды мозга» размером с горошину напоминали части коры головного мозга и позволяли исследователям изучать молекулярные изменения, связанные с болезнью двигательных нейронов, и искать способы их предотвращения. Теперь, в новом исследовании, опубликованном в Cell Reports, исследователи расширили эту работу, создав миниатюрную версию связанной системы человеческого мозга и спинного мозга. Поскольку мозг и спинной мозг являются отдельными, но связанными структурами в теле, команда держала органоиды физически разделёнными в лаборатории. Затем они наблюдали, как аксоны из ткани мозга прорастают через промежуток и соединяются с тканью спинного мозга. Полученная нейронная цепь была достаточно функциональной, чтобы вызывать сокращения в крошечных кластерах мышечных клеток.

Учёные поддерживали эти миниатюрные системы в лаборатории более года. Они обнаружили, что примерно до 150-го дня развития, что примерно соответствует середине беременности, повреждённые аксоны всё ещё могли регенерировать. После этого момента нейроны демонстрировали значительное снижение способности к регенерации. Джордж Гиббонс из Департамента клинических нейронаук Кембриджского университета и первый автор исследования сказал: «Нейроны, взятые из менее зрелых органоидов, отращивали длинные волокна после травмы, но нейроны из более зрелых органоидов показали резкое падение способности к регенерации. Другими словами, плохая регенерация встроена в человеческие нейроны по мере их созревания в центральной нервной системе».

Команда проанализировала активность генов в нейронах, которые соединяют мозг и спинной мозг. Их работа выявила сеть генов, которая действует как биологический переключатель, ограничивая рост аксонов по мере созревания нейронов и формирования синапсов. Примечательно, что когда исследователи блокировали ключевые регуляторы в этой сети, нейроны снова обретали способность отращивать аксоны. Исследователи также проверили базу данных лекарственных соединений, чтобы выявить лекарства, влияющие на эту недавно идентифицированную сеть генов. Одним из многообещающих кандидатов был линестренол — гормональный препарат, в настоящее время одобренный для лечения некоторых менструальных расстройств и в качестве контрацептива. Когда препарат был протестирован на повреждённых нейронах, он значительно улучшил регенерацию аксонов.

Учёные отметили, что рубцовая ткань и воспаление также могут мешать восстановлению нервов после травмы. Однако понимание нейрон-специфических биологических механизмов, ограничивающих регенерацию, остаётся критически важным. Предыдущие данные показали, что более молодые нейроны могут расти через среды, которые обычно блокируют восстановление в местах травм. Старший автор доктор Андраш Лакатош, руководивший исследованием в Департаменте клинических нейронаук, сказал: «Когда мозг и спинной мозг повреждены, нервные волокна, которые передают двигательные сигналы от мозга к спинному мозгу, редко отрастают. Вот почему паралич обычно постоянен. Но мы точно не знали, когда способность аксонов к регенерации становится ограниченной. Наша модель даёт хорошее представление».