Аутизм поражает как минимум 2% детей в Соединенных Штатах — примерно (в России точной статистики до сих пор нет, по разным оценкам это от 0.02 до 2% — прим. редакции). Это тяжелая проблема как для пациентов, так и для их родителей или лиц, осуществляющих уход. Что еще хуже, сегодня нет лечения аутизма. Это во многом связано с тем, что мы до сих пор не до конца понимаем, как аутизм развивается и изменяет нормальную функцию мозга.
Одна из основных причин, по которой трудно расшифровать процессы, вызывающих заболевание, заключается в том, что они сильно варьируются. Итак, понимаем ли мы, как аутизм меняет мозг?
Используя новую технологию, называемую одноядерное РНК-секвенирование, мы проанализировали как здоровых людей, так и людей с аутизмом, и выявили существенные различия, которые могут вызывать это заболевание. Эти специфические для аутизма различия могут обеспечить новые важные цели для разработки лекарств.
Я — нейробиолог из , исследователь развития человеческого мозга в Калифорнийском университете Сан-Франциско. С подросткового возраста я был очарован человеческим мозгом и компьютерами, а также сходством между ними. Компьютер работает, направляя поток информации через взаимосвязанные электронные элементы, называемые транзисторами. Соединение многих из этих небольших элементов создает сложную машину, способную выполнять многие функции: от обработки платежа по кредитной карте до автопилотирования ракеты. Хотя это и упрощение, но человеческий мозг во многом похож на компьютер. Он связывает клетки, называемые нейронами, которые обрабатывают и направляют поток информации — процесс, называемый синаптической передачей, при котором один нейрон посылает сигнал другому.
Когда я начал заниматься наукой профессионально, я понял, что многие заболевания человеческого мозга связаны с неправильным функционированием определенных типов нейронов, точно так же, как транзистор на плате может работать со сбоями либо потому, что он не был изготовлен должным образом, либо из-за износа.
Каждая клетка любого живого организма состоит из одних и тех же типов биологических молекул. Молекулы, называемые белками, создают клеточные структуры, катализируют химические реакции и выполняют другие функции внутри клетки.
Два родственных типа молекул — ДНК и РНК — состоят из последовательностей всего четырех основных элементов и используются клеткой для хранения информации. ДНК используется для наследственного долгосрочного хранения информации. РНК — это короткоживущее сообщение, которое сигнализирует о том, насколько активен ген и сколько определенного белка необходимо клетке. Подсчитав количество молекул РНК, несущих одно и то же сообщение, исследователи могут получить представление о процессах, происходящих внутри клетки.
Когда дело доходит до мозга, ученые могут измерять РНК внутри отдельных клеток, определять тип клетки мозга и анализировать процессы, происходящие внутри нее, например, синаптическую передачу. Сравнивая анализ РНК клеток головного мозга здоровых людей, у которых не диагностировано ни одного заболевания головного мозга, с анализом, проведенным у пациентов с аутизмом, исследователи, подобные мне, могут выяснить, какие процессы отличаются и в каких клетках.
Однако до недавнего времени одновременное измерение всех молекул РНК в одной клетке было невозможно. Исследователи могли выполнять эти анализы только из кусочка мозговой ткани, содержащей миллионы различных клеток. Это осложнялось еще и тем, что возможность собрать эти образцы ткани была только у пациентов, которые уже умерли.
Тем не менее, последние технологические достижения позволили нашей команде измерить РНК, которая содержится в ядре одной клетки мозга. Ядро клетки содержит геном, а также вновь синтезированные молекулы РНК. Эта структура остается неизменной даже после смерти клетки и, таким образом, может быть выделена из мертвой (так называемой посмертной) мозговой ткани.
Анализируя отдельные клеточные ядра из этой посмертной мозговой ткани людей с аутизмом и без него, мы профилировали РНК в пределах 100 000 единичных клеток мозга многих таких людей.
Сравнивая РНК в определенных типах клеток мозга между индивидуумами с аутизмом и без него, мы обнаружили, что некоторые конкретные типы клеток более изменены, чем другие при наличии заболевания.
В частности, , называемые кортикальными нейронами верхнего слоя, которые обмениваются информацией между различными областями коры головного мозга, имеют ненормальное количество кодирующих РНК белков, расположенных в синапсе — точках контактов между нейронами, где сигналы передаются от одной нервной клетке к другой. Эти изменения были обнаружены в областях коры головного мозга, жизненно важных для когнитивных функций высшего порядка, таких как социальное взаимодействие.
Это говорит о том, что синапсы в этих нейронах верхнего слоя работают со сбоями, что приводит к изменениям в функциях мозга. В нашем исследовании мы показали, что нейроны верхнего слоя содержат очень разные количества определенной РНК по сравнению с теми же клетками у здоровых людей. Это было особенно верно для пациентов с аутизмом, которые страдали от самых серьезных симптомов, таких как неспособность говорить.
В дополнение к нейронам, которые непосредственно ответственны за синаптическую связь, мы также видели изменения в РНК других ненейрональных клетках — так называемых глия. Глия играет важную роль в регулировании поведения нейронов, включая то, как они отправляют и получают сообщения через синапс. Они также могут играть важную роль в возникновении аутизма.
Так что же эти результаты означают для будущего лечения аутизма?
Из этих результатов я и мои коллеги понимаем, что те же самые части синаптического механизма, которые имеют решающее значение для отправки сигналов и передачи информации в нейронах верхнего слоя, могут быть повреждены у многих пациентов с аутизмом, что приводит к нарушению функции мозга.
Если мы сможем восстановить эти части или отрегулировать нейронную функцию почти до нормального состояния, это может предложить значительное облегчение симптомов для пациентов. Ведутся исследования по доставке лекарств и генной терапии для определенных типов клеток мозга, и многие ученые, в том числе и я, полагают, что такие подходы будут незаменимыми для будущего лечения аутизма.