Учёные разработали новый эффективный способ отслеживать, каким образом соединяются клетки мозга, метя нейроны молекулярными «штрих-кодами». Используя этот метод, они с удивительной скоростью и детализацией смогли установить тысячи нейронных связей в мышином мозге.
Этот метод может дать более глубокое представление об организации и функционировании сложных нейронных сетей в мозге. Он также может пролить свет на то, что идёт не так при неврологических расстройствах и как с течением времени развиваются болезни вроде Альцгеймера.
«При разработке компьютеров вам необходимо знать устройство центрального процессора. Если вы не знаете, каким образом там всё закоммутировано, вы не сможете понять как он функционирует, оптимизировать его или произвести ремонт, когда что-то поломалось. Мы рассматриваем мозг таким же образом», — говорит руководитель исследования Босюань Джао, профессор клеточной биологии в Университете Иллинойса в Эрбана-Шампейн.
«Наша технология позволяет производить одновременное картирование тысяч нейронных связей с разрешением до отдельных синапсов — таких возможностей нет ни в одной из существующих сегодня технологий. Она непосредственно применима для понимания дисфункции сетей при нейродегенеративных заболеваниях и может стать платформой для разработки основанных на сетях терапевтических вмешательств», — говорит он.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Methods.
Более быстрый и детализированный способ картирования мозга
Картирование мозга традиционно было медленным и трудновыполнимым. Зачастую учёным приходилось нарезать ткань мозга на крайне тонкие дольки, фотографировать их с помощью микроскопа и вручную соединять пути. Хотя новые методы, основанные на секвенировании, могут одновременно метить большое количество нейронов, они обычно показывают место, где нейрон удлиняется, но не идентифицируют конкретные клетки, с которыми он соединяется на синапсе, — говорит Джао.
Чтобы справиться с этим ограничением, группа под управлением Джао создала новую платформу под названием Connectome-seq. Он присваивает каждому нейрону уникальный РНК-«штрих-код». Специализированные белки переносят эти штрих-коды от тела нейрона к синапсу, месту встречи двух нейронов.
Затем исследователи изолируют эти синапсы и используют высокопроизводительное секвенирование, чтобы произвести считывание расположенных вместе пар штрих-кодов. Это показывает, какие нейроны связаны напрямую, что позволяет учёным составить карту нейронов в более крупном масштабе.
Превращение коммутации мозга в задачу по секвенированию
«Мы сделали из задачи по коммутации нейронов задачу по секвенированию. Представьте себе большую связку воздушных шаров. Основная часть каждого шара полностью залеплена наклейками с уникальными для этого шара штрих-кодами, и некоторые из них спускаются к нитке. Если два шара связаны вместе, два штрих-кода сходятся в месте их соединения, — говорит Джао. — Затем мы отсекаем узелки и секвенируем штрих-коды, расположенные на каждом из концов. Если на обоих узелках есть наклейки от шара А и шара Б, мы понимаем, что эти шары связаны друг с другом. Мы делаем это в мозге, только на уровне тысяч клеток нейронов. С помощью этой информации мы можем восстановить сложную карту, представляющую связи между всеми этими, казалось бы, подвижными группами».
Обнаружение новых связей в контурах мозга
Использовав Connectome-seq, учёные составили карту более 1000 нейронов в контуре мышиного мозга, известного как мосто-мозжечковый контур, который соединяет две области мозга. Анализ показал ранее неизвестные структуры связей, включая непосредственные связи между типами клеток, о которых не было известно то, что они соединяются во взрослом мозге.
«Благодаря усовершенствованиям, которые уже ведутся в нашей лаборатории, мы уверены, что сможем делать это ещё лучше и когда-нибудь достигнем цели, заключающейся в составлении карты мышиного мозга целиком», — говорит Джао.
Потенциальная трансформация исследований болезни Альцгеймера и заболеваний мозга
Поскольку этот метод как быстр, так и масштабируем, Connectome-seq может существенно ускорить исследования в области нейродегенеративных заболеваний, психиатрических болезней и других расстройств мозга. Сравнив связи в мозге здоровых людей со связями пациентов, находящихся на разных стадиях заболевания, учёные могут идентифицировать ранние изменения в нейронных связях.
«Благодаря методам на основе секвенирования, время и затраты существенно сокращаются, что действительно делает возможным увидеть различия в разных мозгах. Мы сможем увидеть, где изменяются связи, где находятся наиболее уязвимые области мозга, может быть, даже до возникновения симптомов, — говорит Джао. — Например, если мы сможем уловить где именно находится слабое звено, которое запускает весь катастрофический каскад болезни Альцгеймера, может быть, мы сможем научными методами усилить эти связи до такой степени, чтобы замедлить заболевание или остановить его прогрессирование?»
Перевод — Андрей Прокипчук, «XX2 ВЕК». Источники.
Материалы предоставлены Университетом Иллинойса в Эрбана-Шампейн.
Вам также может быть интересно: