В стволе головного мозга расположена небольшая группа нервных клеток, играющая заметную роль в работе всего мозга. Этот участок называют голубым пятном (locus coeruleus, LC), что в переводе с латыни означает «синее место». Хотя на его долю приходится лишь малая часть нейронов мозга, именно здесь вырабатывается норадреналин — химический посредник, участвующий в регуляции внимания, обучения, сердечного ритма, а также реакций организма на стресс и возбуждение.
Долгое время учёные считали, что голубое пятно действует по принципу громкоговорителя и посылает в мозг практически одинаковый сигнал норадреналина. Новое исследование, опубликованное в журнале Nature, эту точку зрения опровергает. Специалисты Института Аллена, используя визуализацию мозга, запись нейронной активности, генетические методы и поведенческие опыты на мышах, выяснили, что голубое пятно передаёт сообщения по нескольким отдельным каналам. Вместо одного общего сигнала оно направляет его конкретным адресатам, причём разные группы нейронов откликаются на разные события.
Проследив связи между нейронами голубого пятна, исследователи обнаружили, что отдельные группы клеток взаимодействуют с конкретными участками нервной системы. Эти пути определяют, где именно происходит выброс норадреналина, и в итоге складывается гораздо более упорядоченная сеть передачи сигналов, чем предполагалось ранее. Нейроны верхней (дорсальной) части голубого пятна в основном связаны с корой головного мозга и передним мозгом, а клетки нижней (вентральной) части направляют сигналы преимущественно в ствол мозга и спинной мозг. Благодаря такому устройству разные части голубого пятна могут влиять на разные функции мозга.
«Полученные результаты говорят о том, что система норадреналина в мозге куда больше похожа на адресную почтовую сеть, чем на сирену», — приводит слова одного из авторов работы, руководителя направления нейронной динамики Института Аллена Карела Свободы, издание ScienceDaily. Понимание того, как устроена эта сигнальная сеть, в перспективе может изменить подход к лечению некоторых неврологических и психических расстройств. Норадреналин играет ключевую роль в регуляции внимания и настроения, поэтому он служит важной мишенью для препаратов против депрессии, тревожности и синдрома дефицита внимания и гиперактивности (СДВГ). Кроме того, нейроны голубого пятна одними из первых разрушаются при болезни Альцгеймера.
Существующие методы воздействия на норадреналин затрагивают сразу несколько мозговых цепей, из-за чего полезный эффект в одной области может сопровождаться нежелательными последствиями в другой. Более точная карта специализированных путей голубого пятна поможет учёным создавать препараты, которые действуют избирательно на цепи, связанные с конкретными симптомами. Исследование поддержано инициативой Национальных институтов здравоохранения США BRAIN Initiative (программа развития инновационных нейротехнологий).
Учёные также выявили важное различие в работе разных нейронов голубого пятна. Клетки дорсальной части, связанные с корой, особенно активно работали во время обучения: когда мыши выполняли задачи на принятие решений и меняли выбор после неудачного результата, их активность возрастала. Нейроны вентральной части вели себя иначе — их активность повышалась незадолго до того, как мыши игнорировали сигналы о возможном вознаграждении. Это указывает на то, что такие клетки помогают регулировать, реагирует ли животное на возможности вокруг себя. По словам Свободы, сложилась ясная карта: нейроны дорсальной части, посылающие сигналы вверх к коре, участвуют в обучении, а нейроны вентральной области, направляющие сигналы вниз к стволу мозга и спинному мозгу, определяют, будет ли животное вообще взаимодействовать с окружающей средой. Различия между двумя группами клеток не ограничиваются расположением и связями — у них разные наборы активных генов, что отражает их особые задачи.
В ходе работы учёные детально изучили мозг мышей: с помощью визуализации всего мозга они исследовали почти 35 тысяч нейронов, проанализировали генетические профили около 400 тысяч клеток и восстановили полную структуру нескольких особенно сложных нервных клеток. Выяснилось, что аксоны нейронов голубого пятна необычайно длинны: в среднем около 35 сантиметров, а один из них после полной реконструкции достиг 70,32 сантиметра и стал одним из самых длинных одиночных нейронов, когда-либо измеренных у мыши. Как отметил соавтор работы Джеремайя Коэн, этот нейрон снабжает норадреналином очень большой объём коры головного мозга, что для мозга крайне необычно, поскольку большинство нейронов действуют более адресно. При этом норадреналин он выделяет не везде — мозжечок, ствол мозга и спинной мозг остаются в стороне, и связи клетки сохраняют избирательность.