Конкурс «Био/Мол/Текст»-2023/2024

Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «Био/Мол/Текст»-2023/2024.

Генеральный партнер конкурса — международная инновационная биотехнологическая компания BIOCAD.

---

Партнер номинации — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.

---

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Бурозубки и феномен Денеля

Зима — тяжелое время, и каждый переживает его как может: кто-то делает запасы пищи, кто-то впадает в спячку, кто-то улетает в теплые края. Бурозубки поступают оригинальней: на зиму они уменьшают мозг, череп и некоторые внутренние органы. Изменения колоссальные: масса мозга может сократиться почти на треть. Уменьшения обратимы, и весной мозг восстанавливается, хоть и не полностью [1]. Ученые открыли это явление в 50-х годах прошлого века и назвали его «феноменом Денеля» (Dehnel’s effect). Феномен Денеля — это обратимое сезонное изменение размеров мозга и черепа (рис. 1).

Зачем бурозубкам понадобилось уменьшать мозг? Мозг — самый энергозатратный орган. У человека при массе в 2% тела он потребляет до 20% энергии. Мозг не только «прожорлив», но еще и «эгоистичен» — он требует поступления энергии в первую очередь. Содержать мозг становится проблемой, если ты маленькое животное, которое не впадает на зиму в спячку. Чем меньше животное, тем интенсивней у него метаболизм, и тем больше приходится потреблять пищи на единицу массы тела [3]. Бурозубкам «не повезло» еще больше: у них не просто высокий, а очень высокий уровень метаболизма даже для мелкого животного [4] (рис. 2). Они тут же сжигают всю энергию, которую получают с пищей. Считается, что бурозубки уменьшают мозг, чтобы сэкономить энергию зимой.

«Мозг уменьшается для экономии энергии» — звучит логично, но, как всегда, в биологии все не так просто. Ученые сравнили популяции бурозубок, которые живут в разном климате — российскую «холодолюбивую» и европейские «теплолюбивые» [5], [6]. Исследователи ожидали, что чем холоднее зима, тем больше нужно экономить энергию и тем сильнее проявляется феномен Денеля. Это подтвердилось только для черепа: он сильнее уменьшается в холодных северо-восточных регионах (рис. 3). Для мозга зависимости между холодом и уменьшением не нашли. Также не подтвердилась гипотеза, что сильнее уменьшаются более «энергозатратные» структуры. Например, таламус, который уменьшается очень сильно (на 27%), потребляет относительно немного энергии [2]. Это означает, что мозг, хоть и уменьшается из-за экономии энергии, но делает это по каким-то своим, еще непонятным, законам.

Уменьшение мозга негативно влияет на умственные способности бурозубок. Зимой у бурозубок ниже когнитивные способности, они хуже запоминают местность, ориентируются и воспринимают тактильные стимулы [7], [8]. Однако, похоже, для бурозубок это не проблема (рис. 4). Зимой их территориальное и социальное поведение менее выражено, поэтому на время можно уменьшить области мозга, которые отвечают за это.

Разные области мозга уменьшаются по-разному: какие-то сокращаются сильно, какие-то вообще не меняются (рис. 5) [2]. Весной области мозга тоже ведут себя неодинаково: они могут восстанавливаться почти полностью (таламус), только частично (ринальная кора) или не восстанавливаться вообще (неокортекс). Из-за того, что восстановление происходит не на 100%, мозг после зимы изменяется навсегда (у бурозубок «навсегда» — это до второй осени, живут они полтора года). Таким образом, зимнее уменьшение мозга частично необратимо, мозг перезимовавших и молодых особей отличается (рис. 5б).

Почему разные области мозга уменьшаются по-разному? Точно это еще не известно. Сила изменений не зависит ни от пластичности области, ни от количества энергии, которую она потребляет [2]. Возможное объяснение — это разные потребности в функциях в разные сезоны. Например, летом молодым особям нужно активно взаимодействовать с сородичами и проявлять территориальное поведение, но зимой эти потребности минимальны. Поэтому на зиму можно уменьшить структуры, которые за это отвечают — мозжечок и гиппокамп. Однако не для всех областей находится простая связь между потребностями в функциях и силой уменьшения [2].

Половой диморфизм — еще один интригующий вопрос сезонного уменьшения мозгов. Сезонные изменения более выражены у самок, поэтому зимой их мозг меньше, чем у самцов (рис. 6) [2]. Особенно сильно у самок уменьшается мозжечок — зимой он меньше на 32,2%, чем у самцов. Возможно, у самок мозжечок уменьшается сильнее, потому что у них ниже потребности в пространственной ориентации. После зимы мозг самок так и остается меньше, хотя изначально размеры у обоих полов одинаковы. Почему это происходит и как сказывается на жизни самок, пока еще не изучено.

Бурозубки не одиноки

Вслед за бурозубками феномен Денеля нашли и у других животных — кротов, ласок и горностаев (рис. 7) [9], [10]. Их объединяет то, что это мелкие животные с высоким уровнем метаболизма, которые не впадают в спячку (рис. 2). Феномен Денеля возник у них конвергентно как приспособление к схожему образу жизни. Возможно, феномен Денеля есть и у других похожих животных. Так что если вы хотите открыть феномен Денеля у нового животного, ищите кого-то мелкого, энергичного и не впадающего в зимнюю спячку.

Изучение двух близкородственных видов кротов натолкнуло на мысль, что феномен Денеля — приспособление именно к холоду, а не к дефициту ресурсов. При исследовании европейского и испанского кротов оказалось, что мозг осенью уменьшается только у европейского крота (рис. 8). Испанский крот тоже испытывает зимой дефицит корма, но живет в более теплом климате [10]. Действительно, в теплом климате ресурсы тоже изменяются в зависимости от сезона, однако в жарких регионах животные с феноменом Денеля неизвестны.

Сезонные изменения в размерах мозга есть и у других животных, правда, они не происходят так драматично, и феноменом Денеля не называются. Некоторые млекопитающие делают запасы на зиму и на время «отращивают» структуры, которые отвечают за это. У самцов суслика Ричардсона во время запасания пищи гиппокамп увеличивается на 15% [11]. Похожий процесс происходит у бурундуков и белок [12]. Изменение определенных частей мозга также есть и у птиц. У певчих птиц в период размножения увеличивается размер областей мозга, которые отвечают за пение [13]. Птицы, которые делают запасы на зиму, тоже меняют размер некоторых структур мозга [14]. Все эти изменения не называют феноменом Денеля, однако неизвестно, насколько у этих процессов схожие механизмы.

Изучать животных с феноменом Денеля не только интересно с точки зрения фундаментальной нейробиологии, это позволит больше узнать о работе нашего собственного мозга. Возможно, животных с феноменом Денеля можно использовать как новые «естественные» модели для изучения нейрорегенерации, нейродегенерации и нейропластичности. Похоже ли осеннее уменьшение мозга на нейродегенерацию? Чем особенна нейропластичность у животных с феноменом Денеля? Восстановление мозга весной — это нейрорегенерация? Ответы на эти вопросы помогут лучше разобраться в этих процессах и у человека.

Механизмы уменьшения мозга

Феномен Денеля открыли больше 70 лет назад, но о его механизмах до сих пор известно очень мало.

За счет чего происходит уменьшение мозга: уменьшается количество клеток или же их объем? Одни ученые считают, что колебания размеров мозга не связано с изменением числа клеток. При уменьшении мозга клетки не гибнут, а при увеличении не делятся [15]. Другие утверждают, что уменьшение числа клеток все-таки происходит [8] (рис. 9). Кто прав, кто нет, покажут дальнейшие исследования. Если посмотреть на морфологию клеток, то при уменьшении мозга изменяется форма нейронов, уменьшается объем тел, длина отростков и количество дендритных шипиков. Это означает, что синаптическая пластичность — важный механизм сезонной реорганизации мозга [2].

Чтобы разобраться в молекулярных механизмах феномена Денеля, нужно изучить транскриптомные, протеомные и прочие «омные» данные. Исследователи создали транскриптомный атлас бурозубки, который описывает, как гены экспрессируются в разных областях мозга [16]. Анализ транскриптома и метаболома показывает, что у бурозубок в зависимости от сезона глобально изменяется метаболизм липидов и глюкозы. Когда мозг уменьшается, метаболизм перестраивается так, будто бурозубки испытывают гипоксию (недостаток кислорода). В мозге увеличивается экспрессия генов-маркеров нейродегенерации. Возрастает экспрессия гена ALDOA, который кодирует фермент расщепления глюкозы (гликолиза) и ассоциирован с болезнями Паркинсона и Хантингтона [17]. Сдвиг метаболизма глюкозы и экспрессия маркеров нейродегенерации говорит о том, что уменьшение мозга бурозубок и нейродегенеративные заболевания человека имеют что-то общее (рис. 10).

Сезонное уменьшение мозга у людей

Человек гораздо меньше, чем животные, зависит от окружающей среды, но сезонные изменения не проходят бесследно даже для него. Например, в течение года изменяются когнитивные способности (рис. 11). Пик когнитивных способностей у людей из северного полушария приходится на лето и раннюю осень, а зимой наблюдается «провал» [18]. Это очень неудачно, ведь серьезные когнитивные нагрузки многие испытывают именно зимой во время учебного года.

От сезона сильно зависит настроение. Депрессия и усталость проявляются чаще именно в осенне-зимнее время. Большая часть населения Земли в холодный период испытывает плохое настроение, поэтому, если вы осенью чувствуете себя подавленно, вы не одиноки. Болезни также зависят от сезона: шизофрения, сезонное аффективное расстройство и биполярное расстройство обостряются в определенные периоды года (рис. 12) [19]. Может ли плохое настроение и болезни быть связаны с тем, что мозг осенью «скукоживается»? Есть ли вообще сезонные изменения размеров мозга у человека?

У человека нет феномена Денеля, но объем разных частей мозга изменяется в течение года [20], [21]. Чтобы понять, как мозг меняется в зависимости от сезона, ученые проанализировали данные МРТ тысяч людей, которые собирали несколько лет. Оказалось, изменения происходят неожиданным образом: зимой ствол мозга и мозжечок уменьшаются, но кора больших полушарий и подкорковые структуры, наоборот, увеличиваются (рис. 13)!

Почему какие-то структуры мозга увеличиваются зимой? Возможное объяснение — возрастание кровяного давления. Кровяное давление зависит от атмосферного, которое колеблется в течение года. При падении атмосферного давления («плохая погода») уменьшается парциальное давление кислорода. Чтобы компенсировать это и доставить необходимое количество кислорода, кровяное давление повышается, и ткань «раздувается». Действительно, у людей в горах, где давление низкое, объем мозга тоже увеличивается [22]. Если из-за увеличения кровяного давления большие полушария увеличиваются, то почему мозжечок и ствол мозга, наоборот, уменьшаются? Эти структуры имеют собственное кровоснабжение и, возможно, по-другому реагируют на изменение давления [21]. Еще одной причиной увеличения структур мозга может быть снижение уровня витамина D. Синтез витамина D зависит от облучения ультрафиолетом и уменьшается зимой из-за укорочения светового дня. Действительно, у людей с низким уровнем витамина D объем белого мозгового вещества увеличен [23]. Чтобы проверить, правда ли колебания витамина D — причина увеличения мозга, нужно сравнить людей, которые зимой подвергаются разным дозам солнечного облучения.

Как изменение размеров мозга влияет на человека? Мы пока не знаем, как увеличение коры и подкорковых структур изменяет работу мозга и связано ли оно с какими-то болезнями. Зато известно, что уменьшение ствола мозга имеет негативный эффект. Уменьшение ствола (в него входят мост, продолговатый и средний мозг) связано с ухудшением настроения и агедонией, причем эта связь есть только у женщин [20]. Таким образом, настроение у женщин может сильнее зависеть от сезона, чем у мужчин. Это согласуется с тем, что женщины чаще страдают сезонным аффективным расстройством и чаще обращаются к психологам в осенне-зимний период. Причины различий между полами известны мало. Возможно, дело в кортико-лимбической системе, которая регулирует настроение. Одна из ее структур — передняя поясная кора — повышает активность при депрессии, и ее работа различается у мужчин и женщин [24].

Мозжечок зимой уменьшается, причем изменения тоже зависят от пола. У женщин и мужчин пики изменений приходятся на разные месяцы, и у женщин мозжечок, в целом, изменяется сильнее (рис. 14) [21]. Здесь прослеживается аналогия с бурозубками, у самок которых мозжечок тоже уменьшается сильнее. Таким образом, у человека есть половой диморфизм в сезонном уменьшении областей мозга. Почему мозжечок женщин и мужчин ведет себя по-разному, пока остается загадкой. Также неизвестно, влияет ли уменьшение мозжечка на нормальные процессы (хуже ли люди ориентируются в пространстве?) и связано ли оно с какими-то патологиями.

В исследованиях сезонного изменения мозга остается много белых пятен. Еще неизвестно, как выглядят изменения у людей в южном полушарии (они, по идее, должны быть в противофазе с северным, но кто знает?) и у людей на экваторе, где сезонные изменения минимальны. Еще один пробел — то, что все исследования основаны на популяционных данных, когда измерения каждый месяц проводились на разных людях. Вдруг по какой-то причине на МРТ зимой ходят люди с маленьким мозжечком? Чтобы исключить такую возможность, нужно проследить динамику размера мозга у отдельного человека. Исследование отдельных людей также позволит узнать индивидуальную вариабельность и установить, влияют ли раса, социальные факторы и образ жизни на этот феномен.

Таким образом, у человека мозг меняется в течение года сложным образом. Для большинства областей мозга неизвестно, влияет ли размер на функции. Подробное изучение этого феномена поможет лучше понять причины сезонных болезней. Возможно, изменением размера мозга можно даже управлять, что в теории позволит уменьшить негативное влияние смены сезонов на человека.

Что дальше?

Сезонное изменение размера мозга пока преподносит больше вопросов, чем ответов. Ученые мало знают о его молекулярных механизмах, сходстве у разных животных, связях с нейропластичностью, нейрорегенерацией и нейродегенерацией. Его изучение позволит лучше понять изменения, которые происходят с человеком при смене сезонов. Возможно, если научиться им управлять, то можно даже снизить проявление сезонных болезней.

Сезонное изменение размера мозга — важный, но пока малоизученный феномен. Надеемся, что ученые в ближайшее время смогут приоткрыть его тайны.

Благодарности

Благодарю своего научного руководителя, Георгия Андреевича Носова. Это от него я узнала о сезонном уменьшении мозгов.

Литература

1. Dehnel A. (1949). Badania nad rodzajem Sorex.;
2. Javier Lázaro, Moritz Hertel, Chet C. Sherwood, Marion Muturi, Dina K. N. Dechmann. (2018). Profound seasonal changes in brain size and architecture in the common shrew. Brain Struct Funct. 223, 2823-2840;
3. Douglas S Glazier. (2008). Effects of metabolic level on the body size scaling of metabolic rate in birds and mammals. Proc. R. Soc. B.. 275, 1405-1410;
4. Dorota Ochocińska, Jan R. E. Taylor. (2005). Living at the Physiological Limits: Field and Maximum Metabolic Rates of the Common Shrew (Sorex araneus). Physiological and Biochemical Zoology. 78, 808-818;
5. Yaskin V. (1994). Variation in brain morphology of the common shrew. Advances in the Biology of Shrews. 18, 155-161.;
6. Javier Lázaro, Lucie Nováková, Moritz Hertel, Jan R. E. Taylor, Marion Muturi, et. al.. (2021). Geographic patterns in seasonal changes of body mass, skull, and brain size of common shrews. Ecology and Evolution. 11, 2431-2448;
7. Javier Lázaro, Moritz Hertel, Scott LaPoint, Martin Wikelski, Matthias Stiehler, Dina K. N. Dechmann. (2017). Cognitive skills of common shrews (Sorex araneus) vary with seasonal changes in skull size and brain mass. Journal of Experimental Biology;
8. Saikat Ray, Miao Li, Stefan Paul Koch, Susanne Mueller, Philipp Boehm-Sturm, et. al.. (2020). Seasonal plasticity in the adult somatosensory cortex. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.. 117, 32136-32144;
9. Dina K. N. Dechmann, Scott LaPoint, Christian Dullin, Moritz Hertel, Jan R. E. Taylor, et. al.. (2017). Profound seasonal shrinking and regrowth of the ossified braincase in phylogenetically distant mammals with similar life histories. Sci Rep. 7;
10. Lucie Nováková, Javier Lázaro, Marion Muturi, Christian Dullin, Dina K. N. Dechmann. (2022). Winter conditions, not resource availability alone, may drive reversible seasonal skull size changes in moles. R. Soc. open sci.. 9;
11. Danielle K. Burger, Jodi M. Saucier, Andrew N. Iwaniuk, Deborah M. Saucier. (2013). Seasonal and sex differences in the hippocampus of a wild rodent. Behavioural Brain Research. 236, 131-138;
12. Y. Pan, M. Li, X. Yi, Q. Zhao, C. Lieberwirth, et. al.. (2013). Scatter hoarding and hippocampal cell proliferation in Siberian chipmunks. Neuroscience. 255, 76-85;
13. G. Troy Smith, Eliot A. Brenowitz, Michael D. Beecher, John C. Wingfield. (1997). Seasonal Changes in Testosterone, Neural Attributes of Song Control Nuclei, and Song Structure in Wild Songbirds. J. Neurosci.. 17, 6001-6010;
14. T. V. Smulders, A. D. Sasson, T. J. DeVoogd. (1995). Seasonal variation in hippocampal volume in a food‐storing bird, the black‐capped chickadee. J. Neurobiol.. 27, 15-25;
15. Katarzyna Bartkowska, Rouzanna L. Djavadian, Jan R. E. Taylor, Kris Turlejski. (2008). Generation recruitment and death of brain cells throughout the life cycle of Sorex shrews (Lipotyphla). Eur J of Neuroscience. 27, 1710-1721;
16. Cecilia Baldoni, William R. Thomas, Dominik von Elverfeldt, Marco Reisert, Javier Làzaro, et. al.. (2023). Histological and MRI brain atlas of the common shrew, Sorex araneus, with brain region-specific gene expression profiles. Front. Neuroanat.. 17;
17. William R. Thomas, Dina K. N. Dechmann, John Nieland, Cecilia Baldoni, David Carlson, et. al. Molecular mechanisms of seasonal brain shrinkage and regrowth inSorex araneus — Cold Spring Harbor Laboratory;
18. Andrew S. P. Lim, Chris Gaiteri, Lei Yu, Shahmir Sohail, Walter Swardfager, et. al.. (2018). Seasonal plasticity of cognition and related biological measures in adults with and without Alzheimer disease: Analysis of multiple cohorts. PLoS Med. 15, e1002647;
19. Rui Zhang, Nora D. Volkow. (2023). Seasonality of brain function: role in psychiatric disorders. Transl Psychiatry. 13;
20. Naif A. Majrashi, Trevor S. Ahearn, Gordon D. Waiter. (2020). Brainstem volume mediates seasonal variation in depressive symptoms: A cross sectional study in the UK Biobank cohort. Sci Rep. 10;
21. Gregory A. Book, Shashwath A. Meda, Ronald Janssen, Alecia D. Dager, Andrew Poppe, et. al.. (2021). Effects of weather and season on human brain volume. PLoS ONE. 16, e0236303;
22. Cunxiu Fan, Yuhua Zhao, Qian Yu, Wu Yin, Haipeng Liu, et. al.. (2016). Reversible Brain Abnormalities in People Without Signs of Mountain Sickness During High-Altitude Exposure. Sci Rep. 6;
23. Cedric Annweiler, Robert Bartha, Sandy Goncalves, Spyridon N. Karras, Pascal Millet, et. al.. (2015). Vitamin D-related changes in intracranial volume in older adults: A quantitative neuroimaging study. Maturitas. 80, 312-317;
24. Wayne C. Drevets, Jonathan Savitz, Michael Trimble. (2008). The Subgenual Anterior Cingulate Cortex in Mood Disorders. CNS spectr.. 13, 663-681.