С небольшим количеством света, несколькими фоточувствительными составами и специальной бумагой родился проект. Как излюбленный тип технического чертежа на протяжении более века, архитекторы использовали этот важный инструмент из-за его быстрой воспроизводимости, а также его способности создавать подробную документацию. Для рабочих на стройплощадке этот документ был не менее важен, так как он содержал всю необходимую проектную информацию, конкретные типы включенных компонентов и служил руководством, в котором подробно описывалось, как все сочетается друг с другом. Если когда-либо возникали какие-либо сомнения, чаще всего быстрая консультация с планом решала вопросы и продвигала остановку строительства вперед.
Но что происходит, когда у нейробиологов возникают вопросы о мозге и запутанных связях внутри него?? Есть ли вообще такая вещь, как план мозга?? Несмотря на постоянно растущий объем работ по раскрытию того, как нейроны в мозге образуют связи, исследователям до сих пор не хватает исчерпывающей схемы, детализирующей их проводку. Установление этого может иметь потенциал для значительного улучшения нашего понимания мозга, раскрывая, как уникальная схема отдельных структур наделяет нас необычными способностями, такими как язык, сенсорное восприятие и познание.
Сделав первый шаг к актуализации чертежа мозга, исследователи из Флоридского института нейробиологии Макса Планка (MPFI) разработали новую технику, способную отслеживать сложные нейронные связи с беспрецедентной чувствительностью. В недавней публикации в Nature Neuroscience исследователи из лаборатории доктора.
Хироки Танигучи продемонстрировали как беспрецедентную специфичность, так и высокую пропускную способность подхода. Инновационно объединив передовые генетические инструменты с установленной техникой моносинаптического отслеживания, лаборатория Танигучи создала новый мощный инструмент, названный интерсекционным моносинаптическим отслеживанием (iMT), способный распутывать сложные цепи в мозгу.
Изучая специализированный класс клеток мозга, известный как тормозные интернейроны, лаборатория Танигучи заинтересована в изучении того, как эти разнообразные клетки собираются в цепи в различных областях коры головного мозга. Обычно эти клетки действуют для уточнения, формирования и балансировки обработки информации, но их дисфункция связана с такими заболеваниями, как аутизм, шизофрения и эпилепсия. Выяснение того, как функционируют эти тормозные цепи, станет пионером новых подходов к диагностике и лечению заболеваний головного мозга.
Один сложный аспект, препятствующий выяснению корковых цепей, – это огромное разнообразие нейронов в головном мозге.
Доктор. Танигучи объясняет: «Хотя клеточное разнообразие делает мозг таким уникальным, оно также создает большие трудности в изучении отдельных цепей.
Возьмем, к примеру, типичную тормозную схему, которую мы изучаем в лаборатории; один возбуждающий главный нейрон, который передает информацию на большие расстояния из одной области мозга в другую, и несколько тормозных нейронов, которые образуют с ним связи. На первый взгляд эта модель кажется довольно простой, но на самом деле существует множество различных типов основных и тормозных интернейронов.
Считается, что каждый индивидуальный тип интернейрона устанавливает очень специфические связи в зависимости от местоположения, функции и глубины основного нейрона в коре головного мозга. Без возможности взглянуть на конкретные связи, образованные каждой субпопуляцией тормозного нейрона, невозможно составить точную картину цепи.
Доктор. Майкл Йетман, научный сотрудник лаборатории Танигучи и первый автор статьи, отмечает, что им нужна была методика, которая могла бы преодолеть клеточное разнообразие мозга и нацелена только на определенные подтипы нейронов. «Таким образом, мы могли сравнивать и противопоставлять связи каждого уникального подтипа и изучать типы цепей, которые они образуют», – объясняет Йетман.
iMT был разработан с этой целью, преодолевая ограничения ранее использовавшихся методов для отслеживания связей в мозгу. Такие методы, как электрическая стимуляция и моносинаптическое отслеживание, были либо слишком неэффективными, либо им не хватало чувствительности, необходимой для точного отслеживания соединений из многих различных типов клеток, обнаруженных в головном мозге. iMT основан на своем предшественнике, но с новаторским подходом, который имеет решающее значение для передачи чувствительности метода.
«Моносинаптическое отслеживание использует модифицированную форму вируса бешенства, в которой отсутствует необходимый белок, ограничивая вирус одной стартовой клеткой и предотвращая заражение других клеток вокруг нее», – объясняет Йетман. "Но если белок вместе с вирусом экспрессируется только в начальной клетке, тогда вирус имеет способность прыгать и заражать соседние клетки. Для изучения нейронов в головном мозге мы можем выразить вирус и белок в основном нейроне и наблюдать, как вирус перескакивает через синаптические связи только на непосредственно связанные интернейроны.
Оказавшись там, вирус в некотором смысле застревает без необходимого белка и приказывает нейрону начать экспрессию флуоресцентного белка. С помощью микроскопии мы можем увидеть клетки, которые напрямую связаны с нашим стартовым нейроном. Ограничение состоит в том, что мы могли визуализировать только связанные интернейроны в целом, не имея уникальных свойств отдельных подтипов."
Чтобы преодолеть это ограничение, команда добавила дополнительный генетический компонент, который надежно и конкретно нацелен на отдельные подтипы интернейронов. Как только вирус достигает клеточного подтипа, содержащего этот компонент, экспрессируется второй новый флуоресцентный белок.
Теперь у ученых появилась возможность визуализировать межнейронные связи в целом, а также связи отдельных подтипов интернейронов. IMT уже зарекомендовал себя новаторским, выявив существенные различия в конструкции интернейронных цепей ключевых ингибирующих подтипов, а также тех, которые принадлежат к одному подтипу, которые образуют связи с основными нейронами разных областей мозга.
«Хотя iMT находится только на первых этапах разработки, он потенциально может предоставить более подробную принципиальную схему всего мозга, которая будет иметь важное значение для борьбы с серьезными заболеваниями головного мозга», – отмечает Йетман. «В будущем мы надеемся усовершенствовать эту технику, включив в нее возможность изучения функциональных, а не только физических связей нейронных цепей."
iMT и нейробиологи из MPFI делают нас на один шаг ближе к созданию конкретной корковой модели.