Спинной мозг является важным компонентом нашей центральной нервной системы: он соединяет мозг с остальным телом и играет решающую роль в координации наших ощущений с нашими действиями. Падения, насилие, болезни — различные формы травм могут вызвать необратимое повреждение спинного мозга, приводящее к параличу, а иногда даже к смерти.

Хотя многие позвоночные, включая человека, не могут оправиться от спинной мозг травмы, некоторые животные выделяются. Например, аксолотль (Ambystoma mexicanum), саламандра из Мексики, обладает замечательной способностью восстанавливать спинной мозг после травмы. Когда аксолотлю ампутируют хвост, нейроны стволовые клетки проживающие в спинном мозге рекрутируются на травму, чтобы восстановить хвост. До сих пор ученые могли обнаружить эту активность только через несколько дней после того, как процесс начался.

«Через четыре дня после ампутации ствол клетки в пределах примерно одного миллиметра от травмы делится в три раза быстрее, чем нормальная скорость, чтобы регенерировать спинной мозг и заменить потерянные нейроны», — объясняет Эмануэль Кура Коста, соавтор исследования. «Что делают стволовые клетки в первые четыре дня после травмы, было настоящей загадкой».

Чтобы понять, что происходит в первые моменты регенерации спинного мозга, исследователи из Аргентинского национального совета по научно-техническим исследованиям (CONICET) и из Исследовательского института молекулярной патологии (IMP) в Австрии объединились, чтобы воссоздать этот процесс в математическая модель и проверить свои предсказания на ткани аксолотля с помощью новейших технологий визуализации. Их результаты, опубликованные ineLife, показывают, что нервные стволовые клеткиускоряют свои клеточные циклы высоко синхронизированным образом, при этом активация распространяется по спинному мозгу.

Регенерация синхронно: клетки следуют темпу

В неповрежденном спинном мозге клетки размножаются асинхронно: некоторые активно реплицируют свою ДНК, прежде чем разделиться на две клетки для поддержания роста, а некоторые просто отдыхают.

Модель ученых предсказала, что это может резко измениться при травме: большинство клеток в непосредственной близости от травмы перейдут на определенную стадию клеточного цикла, чтобы синхронизироваться и размножаться в унисон.

«Мы разработали инструмент для отслеживания отдельных клеток в растущем спинном мозге аксолотлей. Разные цвета обозначают покоящиеся и активные клетки, что позволяет нам увидеть, как далеко и как быстро происходит пролиферация клеток с помощью микроскопа», — говорит Лео Оцуки, постдоктор в лаборатории Элли Танака в IMP и соавтор этого исследования. «Мы были очень рады увидеть соответствие между теоретическими предсказаниями и экспериментальными результатами».

То, как клетки размножаются хором в регенерирующем спинном мозге, является исключительным для животных. Как клетки могут координировать свои усилия на расстоянии почти одного миллиметра, что в 50 раз превышает размер одной клетки?

Таинственный сигнал, управляющий регенерацией

«Наша модель заставила нас понять, что должен быть один или несколько сигналов, которые распространяются по ткани от рана, как волна, для расширения области пролиферирующих клеток», — объясняет Освальдо Хара, профессиональный исследователь CONICET и руководитель группы SysBio в Институте физики жидкостей и биологических систем (IFLySIB). «Этот сигнал может действовать как мессенджер и инструктировать стволовые клетки к пролиферации».

Исследователи подозревают, что этот загадочный посланник помогает перепрограммировать стволовые клетки, чтобы они быстро делились и восстанавливали ампутированную ткань. Их работа точно определяет этот сигнал в пространстве и времени и прокладывает путь к его дальнейшей характеристике.

«Сочетание математических моделей с нашим опытом в области визуализации тканей стало ключом к пониманию того, как спинной мозг начинает регенерировать», — говорит Элли Танака, старший научный сотрудник IMP. «Следующим шагом является определение молекул, которые способствуют регенерации спинного мозга, что может иметь огромный терапевтический потенциал для пациентов с травмами позвоночника».