Создан инструмент для изучения мозга, способный помочь в разгадке тайны старения и болезни Альцгеймера
Чтобы разгадать тайны того, как происходит обучение и память, ученые из Медицинского центра Джона Хопкинса создали систему, позволяющую отслеживать миллионы связей между клетками мозга у мышей. Исследователи отметили, что новый инструмент дает беспрецедентное представление об активности клеток мозга в синапсе - крошечном пространстве между двумя клетками мозга, где молекулы и химические вещества передаются туда и обратно.
"Это была научная фантастика - иметь возможность получить изображение почти каждого синапса в мозге и наблюдать за изменениями в поведении", - говорит Ричард Хуганир, доктор философии, заслуженный профессор неврологии и психологии Блумберга в Университете Джонса Хопкинса и директор отделения неврологии в Медицинской школе Университета Джонса Хопкинса.
Краткое изложение результатов исследования было опубликовано сначала 18 октября, а 25 ноября в окончательном виде в журнале eLife.
Ученые никогда не думали, что смогут увидеть активность мозга в таком широком масштабе. Ученые отметили, что до разработки инструмента их способность видеть активность клеток мозга была подобна тому, как если бы они смотрели на ночное небо голыми глазами и видели миллиарды звезд. "Теперь же мы можем видеть и отслеживать каждую из звезд одновременно", - говорит Остин Грейвс, доктор философии, преподаватель неврологии в Школе медицины Университета Джона Хопкинса.
Пространство между клетками мозга, или нейронами, невероятно крошечное. Оно составляет менее микрона - примерно десятую часть ширины человеческого волоса. Внутри этих стыков между нейронами проходит магистраль из молекул и белков, главным образом натрия и кальция, передающихся от одного нейрона к другому.
Когда нейротрансмиттеры проходят через синапс и попадают на нейрон, они активируют глутаматный рецептор AMPA - белок во внешней оболочке нейрона. Хуганир и другие ученые показали, что синапсы и рецепторы, встроенные в них, являются ключевыми местами для обучения в мозге. По их словам, именно там кодируются воспоминания.
"Эти рецепторы являются функциональным механизмом языка между нейронами", - сказал Грейвс.
Для изучения работы синапсов ученые обычно выращивают образцы клеток мозга в лаборатории, чтобы выявить увеличение или уменьшение количества белков, производимых клетками. Они также исследуют подмножества нейронов в различных областях мозга, но ранее ученым не удавалось получить изображение синапсов во всем мозге в таком масштабе, говорят исследователи.
Для исследования ученые генетически сконструировали мышей, вставив в ДНК ген GRIA1, что привело к появлению зеленой светящейся метки на всех белках глутамата AMPA. Когда нейроны усиливают свои сигналы, они производят больше белков глутамата AMPA, и зеленый сигнал становится ярче. Поскольку глутаматные рецепторы AMPA очень распространены, исследователи смогли определить почти все возбуждающие нейроны, которые, скорее всего, посылают сигналы другим нейронам, а не блокируют их, в мозге мыши.
Затем исследователи покрутили усы каждой мыши и с помощью мощных микроскопов отследили, какие синапсы светятся зеленым цветом и какова яркость сигнала. Они обнаружили около 600 000 светящихся синапсов и установили, что яркость зеленого сигнала соответствует силе реакции глутаматного рецептора AMPA.
Новая система генерирует огромные объемы данных. Поэтому исследователи совместно с учеными-вычислителями из отделения биомедицинской инженерии Университета Джона Хопкинса разработали методы искусственного интеллекта и машинного обучения, чтобы обучить и проверить алгоритмы, которые автоматически определяют все светящиеся синапсы и то, как они меняются со временем в зависимости от опыта и обучения.
По словам исследователей, их нынешняя работа представляет собой доказательное исследование, демонстрирующее возможности этого инструмента визуализации синапсов. Другие ученые попросили использовать генетически модифицированных мышей в своих исследованиях. Авторы научной работы также планируют использовать этот инструмент для изучения других видов поведения мышей, обучения и памяти, а также для изучения изменения синапсов при определенных условиях, таких как старение, болезнь Альцгеймера и аутизм.
