В исследовании, опубликованном сегодня в Интернете в журнале Nature, исследователи из Медицинского колледжа Альберта Эйнштейна описывают первую полную схему соединений нервной системы животного, аскариды Caenorhabditis elegans, используемой учеными всего мира в качестве модельного организма. Исследование включает взрослых обоих полов и выявляет существенные различия между ними.
Выводы знаменуют собой важную веху в области «коннектомики», попытки картировать множество нейронных связей в мозге, области мозга или нервной системы, чтобы найти конкретные нервные связи, ответственные за определенное поведение.
«Структура всегда занимает центральное место в биологии», - сказал руководитель исследования Скотт Эммонс, доктор философии, профессор генетики и профессор кафедры неврологии Доминика П. Пурпуры и заведующий кафедрой молекулярной генетики имени Зигфрида Ульмана в Эйнштейне. «Структура ДНК показала, как работают гены, а структура белков показала, как функционируют ферменты. Теперь структура нервной системы показывает, как ведут себя животные и как нейронные связи нарушаются, вызывая болезни».
Исследователи выдвинули гипотезу о том, что некоторые неврологические и психические расстройства, такие как шизофрения и аутизм, являются «коннектопатиями», то есть проблемами, вызванными «неправильной проводкой». «Эта гипотеза подкрепляется открытием, что некоторые психические расстройства связаны с мутациями в генах, которые, как считается, определяют связь», - сказал доктор Эммонс. «Коннектомика может помочь нам понять основы некоторых психических заболеваний, возможно, предлагая пути для терапии."
Модель организма
Потому что C. elegans такой крошечный - взрослые особи имеют длину всего один миллиметр и всего около 1000 клеток - его простая нервная система состоит из нескольких сотен нейронов (302 у гермафродитов/женщин, 385 у мужчин).) делает его одной из лучших животных моделей для понимания человеческого мозга, который в миллиарды раз сложнее. Кроме того, это был первый многоклеточный организм, геном которого был полностью секвенирован.
Доктор. Исследование Эммонса основано на новаторской работе покойного британского биолога Сиднея Бреннера, который в 2002 году получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине за исследование C. elegans. Лаборатория доктора Бреннера под руководством сотрудника лаборатории Джона Уайта опубликовала первую карту нервной системы C. elegans в 1986 году после тщательного анализа нервных структур, видимых на тысячах серийных электронных микрофотографий аскариды. Каждое изображение состояло из поперечного «среза» в тысячу раз тоньше человеческого волоса. Он и его коллеги вручную «соединяли точки» между каждым срезом, связывая структуры одного изображения с другим, чтобы создать подробные изображения нервов и примерно 5000 соединений (синапсов) между ними.
Усилие доктора. Бреннер и Уайт, на создание которых ушло 20 лет, запустили область коннектомики и сделали аскариды важной животной моделью для изучения биологии и болезней человека. Но их карта, неофициально называемая «Разум червя», пропускала большие части тела червя и включала только один из полов - гермафродит или самку, а не самца..
Принимая эстафету
Для нового исследования команда доктора Эммонса проанализировала новые электронные микрофотографии круглых червей, а также старые снимки доктора Бреннера и соединила их вместе, используя специально разработанное программное обеспечение, чтобы создать полные электрические схемы всех взрослых животных обоих видов C. elegans. полов. Диаграммы включают все соединения между отдельными нейронами, соединения нейронов с мышцами червя и другими тканями, такими как кишечник и кожа, а также синапсы между мышечными клетками с оценками силы этих синапсов.
«Хотя синаптические пути у представителей двух полов в значительной степени схожи, ряд синапсов различается по силе, что обеспечивает основу для понимания специфического для пола поведения», - сказал доктор Эммонс. Основные половые различия касаются репродуктивных функций: в мышцах влагалища и матки и управляющих ими моторных нейронах у гермафродита; и в большом количестве дополнительных нейронов, половых мышц и соединений в хвосте, которые генерируют цепи для совокупления у самцов. Но помимо этого удивительное количество синапсов между нейронами в центральных проводящих путях, общих для обоих полов, также, по-видимому, значительно различается по силе.
«Эти связанные сети служат отправной точкой для расшифровки нейронного контроля поведения C. elegans», - сказал доктор Эммонс. «Поскольку нервная система аскариды содержит многие из тех же молекул, что и нервная система человека, то, что мы узнаем о первой, может помочь нам понять вторую."
Доктор. В настоящее время Эммонс изучает, как коннектом аскариды кодируется его геномом.