Внешние стимулы перестраивают хромосомы в клетках мозга для улучшения мыслительного процесса.
Чтобы оставаться здоровым, мозг должен быть всё время чем-нибудь занят: ему нужны новые запахи, новые вкусы, новые впечатления, новые умственные упражнения, проблемы, задачи и т.д. На эту тему есть много разных исследований с людьми и животными. Насчёт людей можно сказать, что интенсивные умственные нагрузки, которые мы обеспечиваем себе на протяжении всей жизни, помогают затормозить старение мозга, ухудшение памяти и других когнитивных функций.
Когда речь идёт об экспериментах с животными, то там обычно фигурирует интересная и сложная среда обитания. Например, крыса, у которой в клетке есть много разных переходов, много разных игрушек, которая сталкивается с разными запахами будет чувствовать себя лучше, чем крыса, которая живёт в скучной обстановке.
Интересная жизнь улучшает память и другие умственные способности, а также помогает иммунитету. У мышей, имеющих пространство для передвижения, иммунные клетки лучше готовы к встрече с инфекцией.
Что происходит в мозге, когда у него начинается интересная жизнь? У нейронов появляются новые отростки, они формируют новые соединения, новые нейронные цепочки, а чтобы эти цепочки могли работать, соответствующие изменения появляются и в обслуживающих системах: в кровеносных сосудах, обеспечивающих нейроны кислородом и питательными веществами, и в нейроглии – сложной системе клеток нескольких видов, которые ухаживают за нейронами. Но это если говорить о клеточном уровне. Очевидно, что клеточные изменения должны подкрепляться молекулярными, которые происходят на уровне хромосом, на уровне активности отдельных генов и белков.
Сотрудники Барселонского научно-технологического института изучили как меняются хромосомы в нейронах в ответ на богатые и разнообразные внешние стимулы. Молодые мыши жили в очень насыщенной среде: у них в клетке были туннели, разные шары, кубики и другие предметы, плюс мыши жили не поодиночке, а большими компаниями. Других мышей селили компаниями поменьше, и обстановка в клетках у них была бедная. С помощью целого набора методов исследователи сравнивали состояние хромосом у тех и у других.
Как известно, разные участки хромосом могут быть в закрытом, плотноупакованном виде и открытом, слабоупакованном. Плотность упаковки зависит от белков гистонов, которые постоянно находятся вместе с ДНК. Если они её плотно упаковывают, то гены оказываются недоступны для белковых машин, которые считывают с них информацию. Если упаковка слабеет, ДНК образует свободные нити и петли, на которые могут сесть ферменты, читающие генетическую информацию.
В более разнообразном окружении в ДНК распаковываются регуляторные участки – особые последовательности, от которых зависит активность разных генов. Любопытно, что участки-регуляторы распаковывались не только в нейронах, но и в служебных глиальных клетках. Раньше роль глии сводили только к уборке мусора, физической поддержке и иммунной защите нейронных цепей; в последнее же время появляется всё больше данных о том, что разные глиальные клетки вмешиваются в саму передачу нейронных импульсов и тем самым могут влиять на когнитивные функции. Так что тем более нет ничего удивительного в том, что интересная жизнь сказывается и на активности генов в клетках глии.
Упаковка ДНК гистонами зависит от химических модификаций на молекулах гистонов. Это одна из форм эпигенетической регуляции генетической активности: снимая одни химические группы с гистонов и прикрепляя другие, можно включать и выключать целые группы генов, приспосабливаясь к новым обстоятельствам. После того, как ДНК распакована, нужно приблизить разные её участки друг к другу, чтобы последовательности-регуляторы сблизились с генами, которые они регулируют.
Исследователи показали, как в насыщенном жизненном окружении в клетках мозга меняется активность трёх белков, которые помогают распаковать ДНК и смонтировать её в пространстве для активации нужных генов. В результате у мышей активируются гены, необходимые для роста нейронных отростков, для формирования синапсов и т.д.
Можно предположить, что если в этом молекулярном аппарате что-нибудь пойдёт не так, то никакие стимулы не смогут расшевелить мозг, не смогут заставить его лучше учиться и больше запоминать. Но если знать, какие молекулы тут работают, то поломку можно исправить, и мозг обретёт утраченные – или неразвившиеся – способности.
. . . .
External stimuli rearrange the chromosomes in the brain cells to improve the thought process.
To stay healthy, the brain must be busy with something all the time: it needs new smells, new tastes, new experiences, new mental exercises, problems, tasks, etc. There are many different studies on this topic with humans and animals. As for people, we can say that the intense mental stress that we provide ourselves throughout life helps to slow down the aging of the brain, the deterioration of memory and other cognitive functions.
When it comes to experimenting with animals, there is usually an interesting and complex habitat. For example, a rat that has many different transitions in its cage, many different toys, that encounters different odors will feel better than a rat that lives in a boring environment.
Living an interesting life improves memory and other mental abilities and also helps immunity. Mice that have room to move around have immune cells better prepared to face infection.
What happens in the brain when an interesting life begins? New processes appear in neurons, they form new connections, new neural circuits, and in order for these circuits to work, corresponding changes appear in the service systems: in the blood vessels that provide neurons with oxygen and nutrients, and in the neuroglia – a complex system of cells of several types that care for neurons. But this is if we talk about the cellular level. It is obvious that cellular changes must be supported by molecular changes that occur at the chromosome level, at the level of the activity of individual genes and proteins.
Scientists at the Barcelona Institute of Science and Technology studied how chromosomes in neurons change in response to rich and varied external stimuli. Young mice lived in a very rich environment: they had tunnels in their cages, different balls, cubes and other objects, plus the mice did not live alone, but in large groups. Other mice were housed in smaller companies, and their cage environment was poor. Using a variety of methods, the researchers compared the state of the chromosomes in both.
As you know, different parts of chromosomes can be closed, close-packed and open, weakly packed. The packing density depends on the histone proteins that are constantly found with the DNA. If they pack it tightly, then the genes are inaccessible to protein machines that read information from them. If the packaging weakens, DNA forms loose strands and loops on which enzymes that read genetic information can sit.
In a more diverse environment, regulatory regions are unpacked in DNA – special sequences on which the activity of different genes depends. It is curious that the regulatory regions were unpacked not only in neurons, but also in service glial cells. Previously, the role of glia was limited only to garbage collection, physical support, and immune defense of neural circuits; Recently, more and more data have appeared that different glial cells interfere with the very transmission of neural impulses and thus can affect cognitive functions. So it is all the more not surprising that an interesting life also affects the activity of genes in glia cells.
The packing of DNA by histones depends on chemical modifications on the histone molecules. This is one of the forms of epigenetic regulation of genetic activity: by removing some chemical groups from histones and attaching others, it is possible to turn on and off whole groups of genes, adapting to new circumstances. After the DNA is unpacked, it is necessary to bring different parts of it closer to each other so that the regulatory sequences come closer to the genes that they regulate.
Researchers have shown how the activity of three proteins changes in brain cells in a saturated life environment, which help to unpack DNA and assemble it in space to activate the desired genes. As a result, genes necessary for the growth of neural processes, for the formation of synapses, etc., are activated in mice.
It can be assumed that if something goes wrong in this molecular apparatus, then no stimuli will be able to stir up the brain, will not be able to make it learn better and remember more. But if you know what molecules are working here, then the breakdown can be corrected, and the brain will regain lost – or undeveloped – abilities.
© Times of U