Человеческий мозг, самый сложный объект во Вселенной, состоит из 86 миллиардов нейронов с триллионами еще не нанесенных на карту соединений. Понимание того, как оно порождает поведение, - это проблема, которая волновала человечество на протяжении тысячелетий, и имеет решающее значение для разработки эффективных методов лечения психических расстройств, которые влекут за собой большие издержки как для отдельных людей, так и для общества. Аскариды C elegans размером всего 1 миллиметр представляют собой мощную модельную систему для понимания того, как нервная система формирует поведение. В отличие от человеческого мозга, в нем всего 302 нейрона и полностью нанесена на карту нейронная проводка из 6000 соединений, что делает его самым близким к компьютерной печатной плате в биологии. Несмотря на свою относительную простоту, аскариды проявляют поведение, варьирующееся от простых рефлексов до более сложных, таких как поиск пищи в случае голода, умение избегать пищи, которая раньше вызывала у него заболевание, и социальное поведение..
Понимание того, как работает эта значительно более простая нервная система, даст представление о том, как функционирует наш гораздо более сложный мозг, и является предметом статьи, опубликованной 26 декабря 2016 года в Nature Methods.
В частности, в электротехнике и вычислительной технике схемы проектируются и изучаются с использованием макетов, которые позволяют легко добавлять, удалять и изменять элементы схемы. Точно так же, чтобы понять, как нейронные цепи в мозгу генерируют поведение, ученым необходимо манипулировать активностью отдельных нейронов, включая и выключая их по своему желанию. Для этого исследователи разработали надежные инструменты (трансгенные приводы), которые используют лекарства или свет для активации или подавления нейронов, в которых они экспрессируются. В настоящее время эти клеточно-специфические системы должны быть адаптированы для каждой комбинации нейрона и актуатора, которая может заинтересовать исследователя.
Навин Покала, доктор философии, доцент кафедры наук о жизни Колледжа искусств и наук Нью-Йоркского технологического института (NYIT) вместе с исследователями из Калифорнийского технологического института адаптировали систему GAL4-UAS для экспрессии трансгенов в нематодах. С Элеганс. Эта система, в которой используется регуляторный белок дрожжей, значительно сокращает работу, необходимую для создания клеточно-специфических возмущений. Вместо того, чтобы конструировать новую ДНК и трансгенных животных для каждой клетки и актуатора, новые комбинации клетка-активатор могут быть созданы путем простого скрещивания уже сконструированных животных, что значительно сокращает время и затраты..
Покала и его сотрудники планируют исследовать варианты системы GAL4-UAS, которые позволяют более точно контролировать экспрессию гена актуатора, чем это возможно в настоящее время. Новообретенная простота конструирования трансгенных животных позволяет систематически возмущать клетки нервной системы, позволяя Покале и его коллегам создать базу данных, связывающую нервные возмущения с поведением. В сочетании с ранее нанесенной на карту электрической схемой эта база данных станет ценным ресурсом для разработки и тестирования моделей функционирования нервной системы.
Работа, описанная в Nature Methods, была профинансирована Медицинским институтом Говарда Хьюза и Благотворительным фондом Г. Гарольда и Лейлы Мазерс.