Исследователи из Стэнфорда создали новый инструмент COSMOS, который поможет лучше понять то, как работает мозг в режиме реального времени. Метод объединил в себе измерение индивидуальной активности одновременно множества нейронов и технику микроскопии – бифокальный микроскоп, который позволяет наблюдать за изогнутой линией мозга. Подробности опубликованы в журнале Neuron.
Несмотря на то что с каждым годом ученые узнают об устройстве и функционировании мозга все больше, ответа на вопрос, как работают сети нейронов, которые позволяют нам принимать сложные решения, до сих пор нет. В момент, когда мы анализируем информацию в пользу того или иного действия, в нашем мозге одновременно активируются гигантские нейрональные конструкции. Однако, мы так пока и не научились понимать, какой именно паттерн (рисунок активности) и почему приводит к тому или иному решению.
Попытка это понять требует наличие инструмента, который бы позволил фиксировать работу одновременно множества нервных клеток в момент принятия решения. До недавнего времени такого инструмента не было. Коллектив биоинженеров, нейробиологов и врачей из Стэнфорда занялся этим вопросом и смог придумать нечто новое – то, что, возможно, поможет в исследованиях многим другим ученым, занимающимся мозгом.
Возглавили работу Карл Дайссерот (Karl Deisseroth), один из основателей метода оптогенетики, и Гордон Ветцштейн (Gordon Wetzstein). Они разработали новую оптическую технику, позволяющую «снимать» всплески активности нейронов по всей поверхности мозга, преодолевая его естественные изгибы. Ни одна существующая ранее техника (флуоресцентные красители и белки, излучающие свет при электрическом импульсе нейрона), не позволяла это сделать.
Метод, названный COSMOS (Cortical Observation by Synchronous Multifocal Optical Sampling), основан на использовании бифокального микроскопа, аналогичного бифокальным очкам, которые можно применять для фокусировки на изогнутых поверхностях. Одна из камер такого микроскопа сфокусирована на центральной части мозга, тогда как другая направлена на его боковые стороны. При этом запись нейронной активности ведется одновременно, что обеспечивает параллельный сбор информации.
Затем исследователи обрабатывают полученную информацию и извлекают из нее нужную, которая говорит о времени, интенсивности и продолжительности запуска нейронов во время того или иного действия животного. Например, исследования проводились на крысах, которым нужно было лизать одну из трех поилок, по которым подавалась сладкая вода. Момент принятия ими решения фиксировался с помощью методики COSMOS, и ученые в итоге получили довольно всеобъемлющие сведения об активации нейронных сетей в этот момент.
В дополнение к изучению моторного контроля и принятия решений, команда авторов также использовала COSMOS как для изучения сенсорного восприятия у животных, так и в качестве метода скрининга для разработки неврологических препаратов. Ученые считают, что у метода большое будущее.
Прототип системы COSMOS относительно прост в сборке и стоит менее 50 000 долларов, что на сотни тысяч долларов дешевле, чем другие оптические системы для записи сигналов большого количества нейронов. Для того, чтобы другие исследователи ознакомились с методом и смогли собрать свои собственные системы COSMOS, авторы создали сайт с инструкциями.
Текст: Анна Хоружая
Cortical Observation by Synchronous Multifocal Optical Sampling Reveals Widespread Population Encoding of Actions by Karl Deisseroth et al. in Neuron. Published online June 2020.
doi:10.1016/j.neuron.2020.04.023
