Клеточные механизмы сна: нейроглиальные регуляции

Управление астроцитами механизмом аденозиновых качелей, регулирующих сон

Участие астроцитов глиальных клеток в развитии сна

Расширение области изучения процессов сна от связей между нейронами [1] до множественных нейроглиальных взаимодействий и открытия новых свойств цитоскелета в совокупности с визуализацией ионных потоков [2] расширили пространство нейрофизиологии сна до континуума активной среды мозга [3]. В этом континууме объединены в общее пространство деятельность множества церебральных клеток с микроциркуляцией крови в капиллярах с током лимфы в крошечных протоках вокруг клеток с динамикой градиентов ионов. Активная среда мозга под влиянием разнообразных активаций, изменяясь во время сна, контролирует через транскрипты экспрессию молекулярных регуляторов клеточных, межклеточных, внутриклеточных взаимодействий в нервной системе в состоянии сна [4, 5].

В активной среде мозга астроциты глиальных клеток обеспечивают структурную и метаболическую поддержку нейронов, а их близость к кровеносным сосудам и микропротокам церебральной лимфатической системы позволяет им участвовать в формировании и поддержании гематоэнцефалического барьера, обеспечивая нервно-сосудистые взаимодействия и регулируя интенсивность кровотока в нейронных пулах [6–8]. Астроциты за счет внеклеточного калия регулируют ионный и водный гомеостаз [9, 10]. Они нейтрализуют активные формы кислорода [11], а также участвуют в процессах созревания и трансформации синапсов [12]. Кроме того, астроциты, будучи участниками воспалительных реакций нервной системы [15], поддерживают фагоцитоз [16]. Астроциты взаимодействуют друг с другом через щелевые соединения и формируют обширные сети, модулирующие активность множества нейронных центров [17–20]. Эти функциональные сети участвуют в реализации сложных интегральных функций, таких как локомоция, дыхание, жевание, глотание, вокализация, перистальтика желудочно-кишечного тракта, кормление, проприоцептивная регуляция, сохранение положения тела и других двигательных автоматизмов, а главное – поддержание многочисленных ритмических адаптаций, лежащих в основе цикла «сон – бодрствование» (ЦСБ) [21–23]. Астроциты модулируют циркадианные ритмы с помощью своих молекулярных часов. Тем самым они играют ключевую роль в поддержании циркадианных ритмов как фундаментального процесса регуляции сна. Наиболее изучены молекулярные и клеточные механизмы деятельности циркадианных часов. Молекулярная регуляция реализуется через замыкание так называемой петли обратной связи транскрипции/трансляции множественных генов. Решающую роль в супрахиазматическом ядре играет экспрессия генов, кодирующих белки PER и CRY, задающих период и амплитуду астроцитарных молекулярных часов. При этом реализация посттранскрипционных процессов во многом обеспечивается путем фосфорилирования/дефосфорилирования и убиквитинирования. Следует отметить, что петля обратной связи транскрипции/трансляции не замыкается исключительно астроцитами. Нейроны также участвуют в поддержании циркадианной ритмичности. Хотя недавно было доказано, что только астроцитарных часов вполне достаточно для управления как циркадианными колебаниями в нервной системе, так и околосуточными изменениями поведения мышей [25].

От молекулярной к клеточной регуляции сна

Связь молекулярной регуляции астроцитарных часов с клеточной прослеживается на примере циркадианных преобразований гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК), осуществляемых транскриптомной регуляцией транспортеров ГАМК посредством трех нейротрансмиттеров GAT1, GAT2, GAT3. Однако главная роль в этом отводится нейротрансмиттеру GAT3. Именно он демонстрирует самую сильную циркадианную регуляцию [26]. Причем днем активация GAT3 снижает уровень ГАМК, активируя нейроны и высвобождая множество нейропептидов циркадианной сигнализации в нервной системе. Ночью снижение уровня GAT3, наоборот, ведет к накоплению внеклеточной ГАМК, что уменьшает возбудимость окружающих нейронов. Такая зависящая от времени суток модуляция поглощения ГАМК позволяет астроцитам на клеточном уровне стимулировать нейронную активность днем и подавлять ее ночью. Благодаря этому механизму обеспечивается синхронизация ГАМКергической сигнализации с молекулярными циркадианными ритмами [26]. Это свидетельствует о роли астроцитов в циркадианной регуляции ЦСБ на молекулярном и клеточном уровнях.

Сравнительно недавно была приоткрыта тайна, связанная с одной из интригующих загадок сомнологии – механизмом деятельности щелевых контактов астроцитов в ЦСБ. Все началось с транскрипционного анализа астроцитов коры головного мозга и подкорковых образований во время ЦСБ. Были выявлены существенные различия в экспрессии генов на протяжении этого цикла. Выяснилось, что из всех астроцитарных транскриптов, изменяющихся в состоянии бодрствования, 55 транскриптов сверхэкспрессируются во время сна. При этом ген CIRP посредст­вом связывающего белка взаимодейст­вует с нетранслируемыми участками сотен транскриптов, способствуя синтезу белка, пролиферации клеток и ингибированию апоптоза [27]. В то же время ген UBA1 кодирует фермент, участвующий в деградации белка и синаптическом гомеостазе сна. В отличие от этого во время бодрствования наблюдается избыточная экспрессия гораздо большего количества транскриптов (почти 400). Их значительная часть участвует в формировании внеклеточного матрикса и в синтезе цитоскелета клеток астроцитарных сетей [2]. Интересно, что среди этих транскриптов есть ген GJB6, кодирующий белок коннексин 30 (Cx30). Экспрессия коннексинов регулируется на транскрипционном и трансляционном уровнях. Она достаточно динамична из-за короткого периода жизни как самого белка, так и области щелевого контакта, где он располагается. Вновь образованная молекула каждого коннексина имеет свою структуру с внутриклеточными, внеклеточными и мембранными доменами. Каждый из них выполняет определенную функцию. В процессе миграции к плазматической мембране коннексины концентрируются в гексагональную структуру – коннексон-субъединицу щелевых мембранных полуканалов, образующих поры диаметром 1,5 нм, обеспечивающие высокую морфологическую пластичность астроцитов [29]. За счет указанных механизмов астроциты быстро трансформируют собственные периферические процессы. Как правило, это происходит в ответ на активацию нейронов для изменения уровня синаптического глутамата в головном мозге. Благодаря этому во время бодрствования астроцитарные влияния всегда реализуются ближе к синапсам, облегчая трансформацию глутамата. Вместе с тем снижение активности астроцитов во время сна способствует диффузии глутамата, что усиливает синхронизацию нейронов и ведет к развитию медленного сна [2]. Конечно, необходимы дальнейшие тщательные исследования данного механизма в различных областях мозга, участвующих в динамике сна и бодрствования.

Другой немаловажный момент – энергетические нейроглиальные взаимодействия в ЦСБ. Сегодня не вызывает сомнения, что астроциты играют ключевую роль в регуляции сна посредством экспрессии мРНК, кодирующей белок, оперирующий с жирными кислотами. Этот белок FABP7 регулирует внутриклеточный транспорт жирных кислот, особенно в астроцитах. Он запускает сигнальные каскады, управляющие ростом, морфологией и подвижностью клеток в целом [30], что может нарушать сон у мышей и людей [31]. Вместе с другими белками FABP7 необходим для транспорта лактата в энергообмене между астроцитами и нейронами во время сна [2].

Гликоген хранится в астроцитарном дереве и служит энергетическим резервом, который, расщепляясь на глюкозу и лактат через астроцитарные листочки, обеспечивает нейронный метаболизм нейрональной активации [32]. Изначально казалось, что восстановление астроцитарного гликогена во время медленной фазы сна – ключевая функция этого состояния [33], компенсирующего истощение запасов гликогена в мозге во время бодрствования [34, 35]. Но впоследствии возникла «гликогенетическая» гипотеза, согласно которой синтез и использование гликогена неизменно возрастают в состоянии бодрствования. В то же время снижение возбуждения нейронов во время сна создает дисбаланс, который и приводит к накоплению гликогена [36]. Поэтому восстановление гликогена происходит преимущественно во время бодрствования [37]. Повышенная экспрессия гликогенсинтазы киназы-3β, ключевого фермента синтеза гликогена, связана скорее с фрагментацией состояний и не затрагивает регуляцию общей продолжительности периодов сна или бодрствования [38].

Следовательно, вместо простого восполнения запасов клеточной энергии астроцитарное накопление и деградация гликогена, по-видимому, имеют решающее значение для поддержания цикличности периодов бодрствования и сна. Помимо накопления энергии астроциты демонстрируют внутриклеточные динамические кальциевые колебания, которые необходимы для модуляции нейронной активности, глиотрансмиссии и осуществления переключений в ЦСБ. Так, астроциты за счет изменения концентрации внутриклеточного Са²⁺ при участии ферментов тканевой неспецифической фосфатазы (TNAP) в вентролатеральной преоптической области гипоталамуса (VLPO) управляют механизмом аденозиновых качелей, регулирующих сон (рисунок) [29].

И еще один момент. Негативное влияние недосыпания на выработку энергии за счет снижения липидного обмена, уменьшения транспорта глюкозы и лактата указывают на способность астроцитов адаптировать функционирование нейронов путем восстановления энергетического метаболизма во время сна [31].

Пространство нейроглиальных взаимодействий в состоянии бодрствования и сна

Как уже упоминалось, астроциты взаимодействуют между собой через щелевые контакты. Эти контакты образованы коннексинами Cx30 и Cx43, объединенными в гексагональные коннексомы, которые реализуют обмен малыми молекулами в пространстве глиальной сети. Пространственные размеры такой сети определяются количеством взаимодействующих астроцитов. Причем за счет изменений экспрессии коннексинов расширяется или уменьшается пространство сети. Это в свою очередь модулирует нейронную возбудимость, что важно для регуляции сна [17].

Психостимуляторы, повышающие уровень бодрствования, селективно увеличивают экспрессию Cx30 в коре головного мозга, что усиливает сопряжение астроцитов, но не влияет на уровень Cx43 [39]. Напротив, снотворные агенты, такие как ГАМК, снижают процесс сопряжения астроцитов и уменьшают размер астроцитарной сети. То есть связность астроцитарных сетей динамически меняется в течение ЦСБ [40]. При этом сопряжение астроцитов возрастает в периоде бодрствования и снижается во время сна. Таким образом, астроцитарные сети играют ключевую роль в регуляции процесса сна путем адаптации размера пространства сети под текущие физиологические потребности.

Такая динамическая модуляция не только сказывается на деятельности кортикальных нейронов, но и влияет на активность нейронных сетей подкорковых образований мозга. На это указывает то, что подавление нейронной активности тетродотоксином способно значительно уменьшать размеры пространства астроцитарной сети [20]. И наоборот, повышенная активность зрительной коры за счет усиленного притока афферентных раздражителей приводит к увеличению до 70% экспрессии Cx30 [40]. Становится понятно, что астроциты способны тонко настраивать нейронную возбудимость, модулируя размер пространства своей сети как динамического регулятора возбудимости нейронов и запуска переходов от сна к бодрствованию и наоборот. Астроцитарные сети физиологически оптимизированы под балансировку нейронной возбудимости церебральных образований для регуляции ритмичности сна. Нарушение оптимизации из-за чрезмерного уменьшения или увеличения размера сети деформирует нейронную организацию процесса бодрствования или фрагментирует развитие сна за счет изменений нейроглиальных взаимодействий.

Есть еще один важный момент в понимании пространства астроцитарной сети: астроциты не являются однородной популяцией. Они демонстрируют заметную гетерогенность по областям мозга, что отражает региональную специализацию и демонстрирует их эволюционные корни [41]. Такое разнообразие, вероятно, приводит к специфическому региональному вкладу в регуляцию сна, поскольку астроциты разных областей мозга экспрессируют различные рецепторы. Например, астроциты коры головного мозга модулируют медленноволновую активность во время ночного сна, регулируя уровень внеклеточного глутамата и способствуя синхронизации нейронов [42]. И наоборот, астроциты подкорковых отделов переднего мозга, похоже, необходимы для поддержания бодрствования, поскольку их стимуляция вызывает длительное возбуждение без компенсаторного восстановления сна [43]. Аналогично астроциты преоптической области латерального ядра гипоталамуса, согласно результатам экспериментов, усиливают быстрый сон за счет высвобождения аденозина, который воздействует на нейроны, активные в состоянии бодрствования [44]. Помимо этих специфичных региональных функций астроциты играют важную роль в гомеостазе сна, а их внутриклеточная динамика Ca²⁺ связана с потребностью в сне. Исследования показали, что активность астроцитов Ca²⁺ наиболее высока в состоянии бодрствования и снижается во время сна. В большей степени это выражено после длительного периода бодрствования, что указывает на потенциальную роль астроцитов преоптической области латерального ядра гипоталамуса в нарастании давления сна [29, 45]. Однако вопрос, управляют ли астроциты переходом между состояниями сна и бодрствования или только поддерживают участие нейронных цепей в регуляции этих процессов, остается открытым.

Заключение

Несмотря на растущее признание роли астроцитов в регуляции сна, серьезные методологические проблемы пока не позволяют точно оценить их вклад. Одно из основных ограничений – невозможность выделить функции, специфичные для астроцитов, из-за их сложного взаимодействия с нейронами, микроглией и сосудистыми клетками. Интеграция передовых методов, таких как одноклеточная транскриптомика, микроскопия с высоким разрешением и пространственная протеомика, может дать более глубокое представление об астроцитах. В сочетании с новыми приемами протеомики это способно расширить представление о гетерогенности астроцитов и уточнить их функциональную роль в регуляции сна. И конечно, не следует забывать, что деятельность астроцитов связана с нейровоспалением, фагоцитозом и реактивным глиозом, то есть с теми процессами, которые развиваются при нарушениях сна вплоть до нейродегенеративных изменений [46]. Исходя из этого астроциты могут играть не последнюю роль в развитии таких патологий, как бессонница, гиперсомния и фрагментация сна, часто встречающихся при нейродегенеративных процессах [46, 47]. Поскольку нарушения сна затрагивают более трети населения и представляют серьезную угрозу для здоровья, понимание роли астроцитов в регуляции сна имеет ключевое значение.

Будущие исследования, направленные на совершенст­вование экспериментальных стратегий, расширят представление о специфичности астроцитов, а также их взаимодействии с другими глиальными клетками и нейронами для целенаправленного фармакологического влияния на расстройства сна. 

Публикация подготовлена в рамках выполнения ГЗ ЮНЦ РАН, проект № 125011200139-7.