В мозге нашли нейронный «термометр»

Специальные нейроны в мозге реагируют на повышение температуры вокруг и одновременно сообщают организму, как спастись от жары.

Когда нам становится жарко, мы потеем, дыхание учащается, мы стараемся уйти в тень, выпить холодной воды, снять с себя – если это возможно – лишнюю одежду. Когда нам холодно, мы дрожим, стараемся одеться потеплее и т. д. То есть изменения температуры вызывают целый комплекс разнообразных реакций, физиологических и поведенческих, которые, очевидно, должны начинаться с какого-то внутреннего «термометра». Конечно, у нас и у животных есть терморецепторы, но их задача – только собирать информацию и передавать её в мозг, в какой-нибудь специальный отдел, нейроны которого сообразят, насколько высокая или насколько низкая сейчас температура и что тут следует сделать.

Гипоталамус в мозге человека. (Фото djr339 / www.flickr.com/photos/68606544@N02/6240818909.)

Известно, что нейронный «термометр» находится в гипоталамусе – небольшой области в промежуточном мозге, которая регулирует нейроэндокринную деятельность мозга и гомеостаз организма. Гипоталамус сам по себе делится на ряд структур и зон, среди которых есть так называемая преоптическая область. Эксперименты с животными показали, что терморегуляцией занимается как раз преоптическая область. Но гипоталамус весьма невелик, и при том связан с самыми разными вещами: например, он участвует в регуляции сна, в регуляции брачного и родительского поведения, он регулирует чувство голода и жажды, и т. д. Нас же интересуют конкретные нейроны, которые работают с температурой, а их долгое время никому не удавалось определить.

Найти их удалось сотрудникам лаборатории Закари Найта (Zachary Knight) в Калифорнийском университете в Сан-Франциско. С помощью специального метода, на разработку которого ушло пять лет, они смогли определить, какие гены и в каких клетках преоптической зоны гипоталамуса включаются в ответ на потепление воздуха. То есть требовалось не только заметить те нейроны, которые отвечали на изменение среды нейрохимическими импульсами, но и понять, сопровождается ли такая активность какими-то молекулярно-генетическими событиями.

Гипоталамус на модели человеческого мозга. (Фото Borys Kozielski / https://www.flickr.com/photos/boryskozielski/12392119223.)

В нейронах, которые более всего подходили на роль «градусника», особенно заметными были гены PACAP и BDNF. Оба они кодируют белки, связанные с ростом и развитием нейронов и с регуляцией гормональных сигналов в мозге, однако в данном случае важна не столько их конкретная функция, сколько то, что они включаются в определённых клетках и в ответ на определённые обстоятельства. Иными словами, в гипоталамусе получилось найти клетки, которые реагировали на тепло и у которых при том был характерный молекулярный признак – повышенная активность двух упомянутых генов. Более того, в статье в Cell авторы пишут, что PACAP и BDNF срабатывали в течение нескольких секунд после того, как в клетке с мышами повышали температуру. Раньше считалось, что термонейроны преоптической зоны гипоталамуса с кожными рецепторами никаких дел не имеют, измеряя только внутреннюю температуру тела. Однако, по-видимому, клетки гипоталамуса непосредственно общаются с наружными терморецепторами – иначе как объяснить настолько быстрый ответ гипоталамического «термометра»? Лишнее подтверждение тому удалось получить в экспериментах с капсаицином – алкалоидом, содержащимся в красном перце. Капсаицин действует на рецепторный белок, связанный с ощущением тепла и жара, и клетки преоптической зоны гипоталамуса отозвались на «перец» точно так же, как на тепло – то есть, терморецепторы на коже действительно напрямую связаны с термонейронами гипоталамуса.

Разумеется, исследователям захотелось узнать, влияют ли эти клетки на физиологию и на поведение животных – то есть будут ли мыши прятаться в холодное место, если у них искусственно, без всякого внешнего тепла простимулировать гипоталамический «термометр». И всё именно так и случилось: когда у мышей напрямую, прямо в гипоталамусе, активировали термоклетки, у животных снижалась температура тела и они старались найти в клетке угол попрохладнее. Физиологическая реакция была такой же, как у обычных мышей в ответ на обычное повышение температуры воздуха: кровеносные сосуды в хвосте расширялись, а количество метаболического тепла в жировой ткани уменьшалось.

В целом полученные результаты говорят о том, что определённые нейроны преоптической зоны гипоталамуса, в которых в ответ на тепло активируются гены PACAP и BDNF, не просто измеряют температуру снаружи (с помощью кожных рецепторов), но и сообщают организму, как ему себя вести в новых условиях: надо ли отрегулировать метаболизм, что сделать с сосудами, нужно ли искать тень и т. д. Однако тут важно подчеркнуть, что термоклетки реагировали только на повышение температуры – на похолодание, на низкую температуру они не отвечали. То есть в данном случае «нейротермометр» работает только в одну сторону, а для холода, очевидно, есть какие-то другие мозговые нейронные центры, которые, надо думать, в скором времени тоже смогут найти.