Стриатум — ключевая структура мозга, участвующая в регуляции множества функций, связанных с поведением, мотивацией и контролем над движениями. В последние годы внимание исследователей всё больше сосредотачивается на роли не только нейронов, но и астроцитов — наиболее распространённого типа глиальных клеток, которые поддерживают и взаимодействуют с нейронами. Астроциты стриатума оказывают существенное влияние на обработку информации в мозге и могут модифицировать выработку сигналов, влияющих на когнитивные и метаболические процессы. Понимание этих механизмов имеет огромный потенциал для борьбы с такими проблемами, как ожирение и нарушения пищевого поведения. Исследования на мышах показывают, что астроциты в различных областях стриатума — в частности в дорсальной части стриатума (DS) и в ядре прилежащем (NAc) — по-разному реагируют на воздействие высококалорийной пищи.
При хроническом потреблении диеты с высоким содержанием жиров и сахара наблюдаются структурные и функциональные изменения в астроцитах, что сопровождается повышением их реактивности и изменениями в активности кальциевых сигналов. Морфологически астроциты демонстрируют увеличение экспрессии глиального кислого фибриллярного белка (GFAP), что служит маркером астроцитарной реактивности. В частности, увеличение GFAP на фоне диеты с высоким содержанием жиров коррелирует с ростом жировой массы у подопытных животных. При этом изменения в морфологии клеток и активности кальциевых сигналов наблюдаются с региональными особенностями: в DS кальциевые сигналы становятся более синхронизированными, а их форма и площадь — уменьшаются, что указывает на перестройку функциональных свойств астроцитов в ответ на избыточное питание. Данные также подчёркивают различия между двумя главными субпопуляциями нейронов в стриатуме — рецепторами дофамина типа D1 (D1R) и D2 (D2R), взаимодействие с которыми происходит через астроцитов.
Выяснилось, что активация астроцитов с помощью специфической технологии хемогенетики приводит к изменениям в активности D2R-нейронов, что особенно важно для регулирования когнитивной гибкости. Когнитивная гибкость, или способность адаптироваться к изменяющимся условиям среды и переключаться между различными стратегиями поведения, является критическим компонентом сложных поведенческих реакций. В условиях ожирения, вызванного длительным потреблением высококалорийной диеты, наблюдается нарушение этой гибкости. Подопытные мыши демонстрируют затруднения в выполнении задач реверсивного обучения, что связано с дисфункцией DS. Однако, ключевым открытием является то, что активация астроцитов DS с использованием генно-инженерных методов позволяет восстановить когнитивные функции у животных с диет-индуцированным ожирением.
Эта активация магически нормализует нарушения в поведенческих паттернах, что подтверждается улучшением в тестах на реверсивное обучение. Более того, нейрональная активность, регистрируемая в DS во время выполнения таких задач, изменяется в сторону функциональной организации, характерной для здорового состояния. Не менее значимой является роль астроцитов в регуляции метаболизма всего организма. Активируя астроциты в DS и NAc, учёные смогли наблюдать влияние на метаболические параметры, такие как обмен веществ, использование жиров и углеводов, а также общую энергоэффективность. В частности, манипуляции в NAc приводили к переключению в сторону повышенного окисления жиров, что говорит о возможности центральной нервной системы через астроциты координировать метаболические реакции организма.
Эксперименты показывают, что долгосрочная диета с высоким содержанием жиров и сахара вызывает не только структурные изменения в астроцитах, но и функциональную перестройку внутриклеточных кальциевых сигналов. Эти изменения влияют на синхронизацию их активности и взаимодействие с нейронами, что отражается на когнитивных функциях и метаболических ответах. Интересно, что время суток и наличие пищи также влияют на реакцию организма на активацию астроцитов. Время суток, связанное с циркадными ритмами дофаминовой передачи, модулирует эффективность нейрогенной регуляции метаболизма. В активный период (темновая фаза у мышей) активация астроцитов DS вызывает более выраженные изменения в энергетическом обмене и активности животных, что указывает на сложную взаимосвязь между метаболизмом, поведением и циркасдными ритмами.
На молекулярном уровне астроциты могут взаимодействовать с нейронами через выделение различных глиотрансмиттеров — например, лактата, аденозина и глутамата, влияя таким образом на синаптическую функцию и модулируя нейрональную активность. Изменения в этих путях могут объяснять как когнитивные, так и метаболические расстройства, связанные с ожирением. Данные свидетельствуют также о том, что реактивность астроцитов в стриатуме развивается очень быстро после начала диеты с высоким содержанием жиров и сахара, даже до появления значительного увеличения массы тела. Это подчёркивает роль астроцитов как чувствительных регуляторов, которые могут служить первыми звеньями в цепи событий, ведущих к развитию метаболических и когнитивных нарушений. Кроме того, исследования показывают, что целенаправленная активация астроцитов способна смягчить или обратить вспять нарушения, что открывает новые горизонты в поиске терапевтических стратегий.
Возможность модуляции астроцитов стриатума может стать основой для разработки лекарственных средств, направленных на восстановление когнитивных функций и коррекцию патологий обмена веществ у пациентов с ожирением и метаболическим синдромом. Необходимо отметить, что большая часть существующих данных получена в исследованиях на мужских мышах, и существуют ограничения, связанные с возможной разницей в реакции женских организмов. Кроме того, для более глубокого понимания необходимо определить точные молекулярные механизмы, посредством которых астроциты влияют на нейроны и метаболизм, а также способы целенаправленного воздействия на эти процессы без нежелательных побочных эффектов. Исследования продолжаются в направлении изучения ролей разных субтипов нейронов и астроцитов, их взаимодействий и региональных особенностей в стриатуме. Эти данные позволят уточнить, какие именно клеточные и молекулярные механизмы лежат в основе адаптивных и патологических изменений, вызываемых высококалорийной диетой.
Подводя итог, можно сказать, что астроциты стриатума выступают важными регуляторами как когнитивной гибкости, так и метаболического гомеостаза организма. Их функциональная пластичность и способность влиять на нейрональную активность и энергетический обмен делают их привлекательной мишенью для будущих исследований и терапевтических разработок. Понимание взаимодействий между диетой, астроцитами и нейронными сетями способно дать новые ключи к преодолению проблем ожирения, нарушений пищевого поведения и связанных с ними когнитивных расстройств.
