Большую картину составляют маленькие кусочки, и в данном случае кусочки не видны невооруженным глазом. В новом исследовании Окинавского института науки и технологий (OIST) использовались методы микроскопии, чтобы собрать воедино мозг Caenorhabditis elegans миллиметровой длины, обнаружив, что их нейроны запускают потенциалы действия - всплеск напряжения из-за того, что нейроны посылают сенсорную информацию в клеточная мембрана. Их результаты могут привести к лучшему пониманию того, как нервные сигналы передаются в организме, и послужат будущей моделью обработки нейронной информации у других животных, включая человека.
Ученые из отдела биологии обработки информации (IPBU) и отдела нейробиологических исследований (NRU) OIST совместно работали над проектом. У IPBU была технология для генетической модификации C. elegans, а у NRU было ноу-хау для записи электрических сигналов от крошечных нейронов червя. Хотя обычно считалось, что у червя отсутствует способность запускать потенциалы действия - импульсы типа «все или ничего», необходимые для принятия решений, - профессор Ичиро Маруяма, главный исследователь IPBU, получил результаты, свидетельствующие о том, что нейроны червя запускали потенциалы действия. Чтобы подтвердить свои подозрения, он хотел получить дополнительные данные с помощью электрофизиологии, которой его лаборатория активно не занималась, поэтому он поделился своими идеями с профессором Джеффом Виккенсом, главой NRU, и исследователями Томоми и Маюми Синдо.
Семь лет спустя сотрудничество окупилось; завершенное исследование было опубликовано в Scientific Reports 5 марта 2019 года. До проекта считалось, что нейроны C. elegans реагируют только на аналоговые сигналы дифференцированным образом. Работа показала, однако, что нейроны запускают потенциал действия, если они пересекают порог, более цифровой тип передачи сигналов.
«Главное, что показывает эта статья, это то, что нейроны, которые мы изучаем, активируются потенциалами действия», - сказал Викенс. «Теперь нейроны C. elegans имеют как активную, так и пассивную передачу, поэтому все эти механизмы необходимы для сенсорной обработки даже в самых маленьких нейронах».
Чтобы наблюдать за сенсорной обработкой C. elegans, Маруяма и его команда посыпали солью кончик носа червя. Они увеличивали и уменьшали концентрацию соли, выискивая различные реакции червя и следя за электроактивностью его нейронов. Они обнаружили, что увеличение количества соли сначала влияет на нейрон в левой части мозга, а затем запускает сигналы, заставляющие червя двигаться вперед. Снижение заставило нейрон на правой стороне посылать сигналы червю двигаться назад.
«Эта пара нейронов имеет одинаковую структуру и название, но совершенно противоположные функции», - сказал Маруяма. «Совместное использование этих двух нейронов очень эффективно для червя, чтобы добраться до места с предпочтительной концентрацией соли».
Разработка миниатюрных методов
Исследование C. elegans ставит перед нами задачу: понять, насколько мал мозг C. elegans: у них 302 нейрона, у муравья 250 000, а у мыши 75 миллионов. Викенс поручил своему бывшему постдоку и первому автору статьи доктору Томоми Синдо ответственный за разработку методологии проекта. Работа заняла время - четыре года проб и ошибок на создание правильных методик и еще три на сбор данных.
NRU создал острую стеклянную иглу размером меньше микрометра. Они использовали иглу для извлечения клетки мозга из C. elegans после того, как она подверглась воздействию соли, чтобы увидеть нейрон. Этот метод похож на использование пинцета для извлечения занозы из пальца.
«Только несколько лабораторий в мире могут сделать это», - сказал Маруяма. «После того, как клетка была извлечена, ученые использовали электрофизиологию - измерение изменения напряжения в клетках для отслеживания активных и пассивных нейронов. Ученые также использовали визуализацию кальция, чтобы получить больше данных, и наблюдали за свободно передвигающимися червями, подвергшимися воздействию соли.
«Вы можете экспрессировать белок датчика кальция в определенном нейроне - если нейрон активируется, он загорится», - сказал Маруяма. «Как только нейроны активированы, они излучают зеленую флуоресценцию, и теперь вы обнаруживаете активность нейронов с помощью флуоресцентного микроскопа. Данные двух тестов полностью совпадают».
«Идеально согласованные данные» - это фраза, которую надеется услышать каждый исследователь. Результаты показывают, что общепринятая догма о том, что эти черви посылают только пассивные сигналы, неверна. Это замечательное открытие также открывает двери для улучшения картирования нейронов в будущем.
«Каждый C. elegans имеет один и тот же набор нейронов, связанных одинаковым образом, в отличие от мозга мыши, который представляет собой джунгли связей», - сказал Викенс. «Если мы сможем лучше понять эту простую нервную систему, для которой у нас есть своего рода принципиальная схема, мы сможем понять, как более сложный мозг работает в большем масштабе."