Про поступ українських учених у дослідженні механізмів передачі болю розповіла в ексклюзивному інтерв’ю пресслужбі НАН України завідувачка відділу сенсорної сигналізації Інституту фізіології імені О.О. Богомольця НАН України доктор біологічних наук, професор Нана Войтенко.
 Нана Войтенко виступає на урочистій церемонії нагородження «Web of Science Awards Ukraine 2019» (8 листопада 2019 року, Київ, Великий конференц-зал НАН України) |
Таємниці спинного мозку і загадка болю
«У нашій лабораторії ми вивчаємо передачу ноцицептивних (больових) сигналів, – говорить науковиця. – Cьогодні про це, звісно, вже багато чого відомо, але сам процес обробки больового сигналу у спинному мозку та передачі його в головний мозок залишався доволі загадковим.
Спинний мозок – дуже важливий елемент системи передачі ноцицептивного сигналу. Як у нас взагалі формується больовий сигнал? Подразнюються певні закінчення нервових клітин – так званих периферичних нейронів, яким властива специфічність: існують рецептори, чутливі, наприклад, до нагрівання, тиску, хімічних подразників. Тобто різні типи нейронів відчувають різну зовнішню небезпеку. Далі аксоном периферичного нейрона сигнал надходить у спинний мозок, оброблюється нейронною мережею спинного мозку і передається в супраспинальні структури центральної нервової системи (у головний мозок), де й формується емоція болю. Так от, спинний мозок довгий час залишався своєрідною «чорною скринькою», та й зараз, до певної міри, залишається. Доволі добре досліджено периферію нервової системи, тобто те, які сигнали і як потрапляють у спинний мозок, як нейрони передають ці сигнали. Дещо було відомо також про особливості функціонування нейронної мережі. Але який сигнал виходить із цієї «чорної скриньки», було не відомо.
Чому виникали труднощі з дослідженням больової сигналізації у спинному мозку? У цій галузі донині прийнято працювати із моделлю, найбільш наближеною до фізіологічної, – так званими тонкими зрізами спинного мозку. Тому що для сучасної мікроскопії дуже важливо, аби досліджуваний об’єкт (особливо якщо вивчаються електрофізіологічні сигнали) був прозорим. Так влаштовано сучасний мікроскоп: щоб побачити ті чи інші об’єкти, світло має пройти крізь тканини. Але вчені зіткнулися з тим, що у матеріалі, нарізаному тонкими зрізами, сильно порушується архітектоніка спинного мозку, адже переважна більшість аксонів (відростків) нейронів спинного мозку розташовані вздовж нього, тож поперечні зрізи розривають зв’язки між нейронами. Звісно, це спотворює реальну картину.
Для подолання цього обмеження Віктор Деркач і Борис Сафронов (до речі, колишні співробітники нашого Інституту) нещодавно розробили абсолютно унікальний альтернативний метод. Вони виявили, що, наскрізне просвічування знизу можна замінити бічним освітленням інфрачервоними LED-лампочками (такими, наприклад, які застосовуються у гірляндах), розташованими під певним кутом. Бічне освітлення за допомогою діодів дозволяє доволі добре бачити клітини в тканині на глибині до 100 мікрон, чого цілком достатньо для проведення досліджень. Завдяки цьому з’явилася можливість працювати з цілим спинним мозком – доволі товстим непрозорим об’єктом.
Ми з колегами змогли інсталювати і навіть дещо модифікувати цю методику відповідно до наших потреб і установок, і кілька років тому вже почали працювати з цілим мозком. Яку це нам дало перевагу? Передусім абсолютно непошкодженою залишається архітектоніка спинного мозку, тобто всі нейронні зв’язки в ньому зберігаються. Крім того, ми можемо зберігати так звані корінці – аксони периферичних нейронів (пучки нервів, які «входять» у спинний мозок). Ба більше, ми можемо стимулювати їх за допомогою спеціальних приладів, а отже, відтворювати модель вхідного сигналу та вимірювати вихідний сигнал.
Додам також, що, готуючи зрізи, ми дуже сильно пошкоджували лезом поверхневі клітини спинного мозку, точніше – його дорзального рогу, тієї частини, куди заходять аксони ноцицептивних нейронів. А саме на поверхневих ламінах (шарах) дорзального рогу знаходяться нейрони, які надсилають больові сигнали в головний мозок, або ж так звані проєкційні нейрони. У нашому спинному мозку їх не так і багато: у кожному з сегментів, що відносяться до хребців, розташованих у грудному, поперековому й інших відділах, частка проєкційних нейронів не перевищує 5% від усіх клітин поверхневих ламін. Довгий час помилково вважалося, що ці нейрони самі по собі неактивні й активуються лише при надходженні больового сигналу. Така хибна думка виникла тільки тому, що науковці не могли нормально працювати з проєкційними нейронами. Новий підхід – дослідження цілого спинного мозку – дав також можливість працювати з непошкодженими проєкційними нейронами.
Кілька років тому ми з колегами почали вивчати їхні особливості й уже отримали цікаві дані. Нам першим у світі вдалося не просто зафіксувати вихідні сигнали, тобто сигнали, які саме проєкційні нейрони надсилають у головний мозок, а й виокремити дві групи цих нейронів. Нейрони першої групи надсилали лише один потенціал дії у відповідь на будь-яке больове збудження – незалежно від інтенсивності імпульсу, яким ми стимулювали корінці. Нейрони другої групи (серед усіх проєкційних нейронів їх близько 20%) змінювали вихідний сигнал залежно від стимулу. Отже, одні проєкційні нейрони слугують своєрідним тригером. Вони сигналізують про наявність чи відсутність больового сигналу, за ними також можна з’ясовувати локалізацію больового сигналу. Інші нейрони ми називаємо кодувальниками сили імпульсу. Вони визначають емоційний бік болю – силу, інтенсивність і, можливо, різновид больового сигналу. Взаємодіючи між собою, дві групи проєкційних нейронів дають нашому мозкові повне уявлення про больовий сигнал. Ми описали механізми, які лежать в основі такої сенсорної сигналізації, і навіть запропонували схеми взаємодій між цими нейронами. Фундаментальна цінність цієї роботи доволі велика,
результати опубліковано у престижному міжнародному фаховому виданні – журналі «Scientific Reports», який належить до видавничої групи «Nature».
 Запропонована схема обробки сигналів проєкційними нейронами першої ламіни дорзального рогу спинного мозку |
У майбутньому наше дослідження може принести і практичну користь. Невелику частину проєкційних нейронів, які є кодувальниками інтенсивності больового сигналу, потенційно можна використати як мішені для лікування гострого болю, причому без побічних ефектів. Якщо говорити спрощено, блокуючи тільки ті нейрони, які передають інтенсивність больового сигналу, ми можемо цю інтенсивність послабити, не впливаючи на жодні інші нейрони. Сучасні методи загалом дозволяють це зробити. Потрібно тільки знайти спеціальні маркери і за допомогою таргетної (прицільної) доставки фармакологічних препаратів або генетичних матеріалів заблокувати маленьку популяцію нейронів, яка передає інтенсивність больового сигналу в головний мозок. Над цим, звісно, ще слід попрацювати.
Оскільки ми вже повністю перейшли на дослідження моделі цілого спинного мозку, то останні свої роботи присвятили не тільки його поверхневій, або ж першій, ламіні, а й десятій (Х), яку ще називають «ламіна ікс». Це дуже цікава зона спинного мозку, яка розташовується навколо центрального каналу. Через свою важкодоступність для електрофізіологічних методів вона була погано вивчена. Але наш колега – співробітник відділу молекулярної біофізики Інституту кандидат біологічних наук Володимир Кротов розробив новий підхід, доволі нетравматично розділивши спинний мозок на дві половини й отримавши доступ до нейронів десятої ламіни в такий спосіб, що з ними також можна здійснювати електрофізіологічні дослідження за допомогою бічного освітлення. Завдяки чому отримано чимало цікавих даних. Ми, зокрема, продемонстрували нову методику, виявили ноцицептивні входи в десяту ламіну і з’ясували, що вона відіграє велику роль у передачі больового сигналу, та головне – в обробці больового сигналу від вісцеральних входів, тобто від внутрішніх органів. Кілька наших спільних статей за результатами цих робіт уже побачили світ, і ще одна перебуває зараз на рецензуванні. Сподіваємося отримати ще більше нової інформації про ламіну Х».
За інформацією Пресслужби НАН України
Фото Пресслужби НАН України