Аксолотль (Ambystoma mexicanum) выглядит почти слишком причудливо, чтобы быть настоящим. Его перистые розовые жабры и постоянная полуулыбка делают его похожим на существо, созданное ребенком с чересчур богатым воображением. Но не позволяйте его мультяшной внешности обмануть вас. Под ней скрывается одна из самых необычных способностей в животном мире: сила восстанавливать части собственного мозга.
Он не просто затягивает рану и не просто заживляет повреждение. Аксолотль способен производить совершенно новые нейроны, восстанавливать поврежденные или утраченные структуры и воссоединять цепи после черепно-мозговой травмы. Для нейробиологов эта способность делает аксолотля живым парадоксом, ведь центральная нервная система считается хрупкой.
Практически для всех млекопитающих повреждение головного или спинного мозга необратимо, так как зрелые нейроны редко регенерируют, а после травмы быстро образуется рубцовая ткань. Однако аксолотль каким-то образом обходит многие из этих ограничений. И чем глубже ученые изучают этот процесс, тем более странной становится история.
Как аксолотль восстанавливает свой мозг: шаг за шагом
Процесс регенерации мозга у аксолотлей был подробно изучен в исследовании 2013 года, опубликованном в журнале Neural Development. Исследователи обнаружили высокоскоординированную последовательность событий, напоминающую повторение эмбрионального развития.
Когда часть конечного мозга аксолотля (основной области переднего мозга, участвующей в сенсорной обработке и поведении) повреждена или удалена, первое, что происходит, удивительно банально: рана закрывается. Клетки, окружающие поврежденный участок, запечатывают отверстие, чтобы стабилизировать ткань. Однако, что крайне важно, это происходит без образования плотной рубцовой ткани, характерной для мозга млекопитающих.
Это различие имеет огромное значение. У людей глиальные рубцы образуются очень быстро после травмы. Хотя это помогает сдержать повреждение, это также создает биохимический барьер, который эффективно блокирует любой новый рост нейронов. Но аксолотли в значительной степени избегают такой реакции. Вместо того чтобы изолировать травму, их мозг остается восприимчивым к восстановлению.
После этого активируются специализированные клетки, выстилающие желудочки мозга (называемые эпендимоглиальными клетками). Эти клетки функционируют как своего рода покоящиеся стволовые клетки мозга, и в здоровом мозге они остаются в состоянии покоя. Однако после травмы они начинают быстро делиться, что знаменует начало реконструкции.
На этом этапе вновь образованные клетки мигрируют к месту повреждения, где многие из них начинают превращаться в незрелые нейроны. В течение недель эти незрелые клетки дифференцируются в определенные типы нейронов, необходимые для замены утраченных. Самое увлекательное в этом шаге то, что он не является случайным. Восстанавливающаяся ткань, по-видимому, следует пространственным и молекулярным инструкциям, заложенным в окружающем мозге.
Это означает, что аксолотль не просто выращивает "больше мозга". Каким-то образом он отращивает именно ту ткань мозга, которая необходима, именно в том месте, где она нужна. И по мере того, как этот процесс регенерации продолжается в течение недель, аксоны (длинные отростки нейронов, используемые для связи) начинают прорастать в окружающую ткань. Эти нейронные цепи постепенно восстанавливаются, пока, в конечном итоге, регенерированная область не становится структурно похожей на исходную.
Стоит отметить, что ученым до сих пор многое не до конца понятно в этом процессе. Но одно исследователи знают наверняка: стратегия регенерации аксолотля — это чрезвычайно точная форма биологической реконструкции.
Как аксолотлю удается отращивать свой мозг?
Большинство предположили бы, что регенеративные способности аксолотля несовместимы с биологией позвоночных. В конце концов, человеческий мозг едва способен заменить даже небольшую популяцию поврежденных нейронов. Тяжелые травмы спинного мозга или коры головного мозга также обычно приводят к необратимым нарушениям. Так как же возможно, что саламандра может регенерировать сложную нервную ткань, не теряя при этом контроля над своим телом?
Отчасти ответ кроется в самой нервной системе аксолотля. По сравнению с млекопитающими, мозг аксолотля гораздо менее плотно специализирован и менее метаболически требователен. Многие из его наиболее важных форм поведения (например, плавание, питание, ориентация на стимулы и т.д.) в значительной степени опираются на более старые, эволюционно консервативные нейронные цепи, распределенные по стволу мозга и спинному мозгу. Это означает, что повреждение частей переднего мозга, хотя и серьезное, не обязательно сделает все животное недееспособным.
Вот почему аксолотли могут пережить промежуточные стадии регенерации. Мозг не "отключается" во время восстановления, что означает, что неповрежденные области могут продолжать выполнять жизненно важные функции, в то время как поврежденная область медленно восстанавливается в течение недель или месяцев.
Вдобавок к этому, их относительно медленный метаболизм также помогает. Аксолотли — водные саламандры с более низкими энергетическими потребностями, чем у млекопитающих, и они ведут относительно малоподвижный образ жизни. Это делает длительный процесс восстановления биологически осуществимым, что, вероятно, было бы невозможно для высокоактивного теплокровного животного.
Но помимо анатомии, более глубокое различие связано с их клеточной пластичностью. В частности, клетки аксолотля обладают необычной способностью возвращаться в более гибкое, "развивающееся" состояние после травмы. Зрелые клетки рядом с поврежденной тканью могут, по сути, "отматывать назад" аспекты своей идентичности, что позволяет им размножаться и создавать новые структуры.
Такой тип гибкости строго ограничен у млекопитающих — и не без оснований. Неконтролируемое размножение зрелых клеток невероятно рискованно, так как может привести либо к раку, либо к полному нарушению стабильных нейронных цепей. Но в то время как человеческий мозг отдает приоритет стабильности, мозг аксолотля отдает приоритет регенеративному потенциалу.
Этот компромисс, вероятно, является объяснением того, почему регенерация так редка среди позвоночных с большим и сложным мозгом. Высокопластичная нервная система невероятно полезна после травмы, но она также сделала бы долгосрочную стабильность цепей гораздо более труднодостижимой. И все же аксолотль каким-то образом балансирует и то, и другое. Он может реактивировать программы развития, не впадая в неорганизованный рост.
Почему у аксолотля развилась такая экстремальная регенерация?
Инстинктивное предположение состоит в том, что аксолотли развили регенерацию, потому что она была им нужна. Но согласно обзору 2009 года, опубликованному в Nature Reviews Neuroscience, история может быть сложнее. Вместо того чтобы представлять собой причудливое эволюционное новшество, уникальное для саламандр, регенерация может на самом деле отражать древнюю черту, которой когда-то обладали многие позвоночные.
Но за эволюционное время млекопитающие, очевидно, утратили подавляющую часть этой регенеративной способности. Вместо этого эволюция сделала выбор в пользу более быстрого закрытия ран, более сильного иммунного ответа и более стабильных нервных систем у млекопитающих. Вероятно, это связано с тем, что выживание после травмы имело большее значение, чем идеальное восстановление ткани месяцы спустя.
Саламандры, с другой стороны, сохранили гораздо больше этого древнего регенеративного инструментария. Их экология могла способствовать этому сохранению, поскольку мелкие амфибии особенно уязвимы для хищников и травм окружающей среды. Конечности, хвосты и нервная ткань могут быть удивительно легко повреждены в водной среде, кишащей хищниками, мусором и конкурентами. Для животного, живущего на грани выживания, способность восстанавливаться после катастрофической травмы может значительно повысить репродуктивный успех.
Странная жизненная история аксолотля, скорее всего, также способствовала этой уникальной способности. В отличие от многих амфибий, аксолотли остаются в ювенильном водном состоянии на протяжении всей взрослой жизни — явление, известное как "неотения". Интригует то, что ювенильные ткани у многих позвоночных, как правило, обладают большей регенеративной способностью, чем взрослые ткани. Таким образом, сохраняя аспекты своего эмбрионального состояния на протяжении всей жизни, аксолотль может сохранять клеточные программы, которые в противном случае были бы "выключены" после созревания.
Странная ирония заключается в том, что регенеративные способности аксолотля кажутся футуристическими — почти научно-фантастическими — но на самом деле они могут представлять собой нечто древнее. Это далеко не сверхспособность; это просто биологическое наследие, от которого большинство млекопитающих постепенно отказались. Это поднимает тревожную возможность для нашего собственного вида. Где-то глубоко в эволюции позвоночных наша способность к драматическому восстановлению нервной ткани, скорее всего, была более распространена, чем сегодня.
Аксолотль — одна из величайших биологических загадок эволюции. Пройдите мой забавный тест на IQ эволюции, чтобы узнать, насколько хорошо вы действительно знаете силы, сформировавшие жизнь на Земле.
Эта статья была первоначально опубликована на Forbes.com