Активність декількох сотень нейронів у черв'яків і декількох тисяч нейронів в мозку риби вдалося побачити в реальному часі.
Щоб зрозуміти, як працює мозок, потрібно в точності представляти його структуру. Якщо ми згадаємо про особливості будови нервових клітин, про їх здатність утворювати безліч міжклітинних контактів, то стає зрозуміло, що під структурою мозку тут слід розуміти не тільки «великоблочне» будова (мозочок, таламус, кора і т. Д.), Але і всю систему зв'язків між ними. Звичайно, у мозку великий запас пластичності: міжклітинні синапси в ньому то з'являються, то зникають. Однак в мозку є, якщо можна так сказати, постійні канали зв'язку, які залишаються незмінними і які формують матеріальну основу внутрімозкових інформаційних потоків.
До сих пір єдиним організмом, у якого зв'язку в нервовій системі були змальовані у всіх деталях, залишається нематода Caenorhabditis elegans. У цього черв'яка нервова система складається всього з 302 клітин, так що з'ясувати, що з чим з'єднується, нейробіологам вдалося досить швидко - до 1986 року була створена повна карта міжнейронних зв'язків C. elegans. Звичайно, вчені досить скоро задумалися і про те, щоб схожу карту зробити і для людського мозку, але в людському мозку нейронів НЕ 302, а приблизно 100 мільярдів, так що можна уявити, яка титанічна завдання стоїть перед дослідниками. Причому адже нейрони не просто утворюють аморфну мережу, вони складаються в функціональні зони, виконують ту чи іншу задачу, і ці зони, в свою чергу, взаємодіють між собою вже на макрорівні і підкоряються якимось додатковим архітектурним правилам. І все це безмірно ускладнює завдання картування мозку.
Вчені намагаються вирішити цю проблему з різних сторін, часом досить несподіваними методами. У минулому році дослідники зі Стенфордського університету зуміли зробити мозок миші і фрагмент мозку людини майже прозорими: нервова тканина оброблялася детергентом так, що в ній залишалися тільки білкові «скелети» нервових клітин, і за допомогою флуоресцентних білків можна було простежити розподіл нервових відростків від зовнішніх шарів кори до самих надр мозку.
З іншого боку, продовжує користуватися успіхом старий метод картування, коли нервову тканину нарізають на тисячі шарів кожен завтовшки в пару десятків мікрометрів, а потім ці шари пильно розглядають, оцінюючи схожість і відмінності. Проаналізувавши їх будова, можна побудувати тривимірну карту мозку підвищеної точності. Такі роботи ведуться постійно, і мозкові атласи поступово стають все більш детальними. Так, знову ж в минулому році групі вчених з Дослідницького центру Юліх (Німеччина) разом з колегами з інших наукових центрів Німеччини і Канади вдалося створити тривимірний атлас мозку людини з дозволом в 20 мікрометрів - ця карти мозку виявилася в 50 разів більш точною, ніж її попередники.
Часто ж нейробіологи займаються лише якимось окремим аспектом нейронної архітектури, скажімо, намагаються представити схему провідних шляхів між усіма зонами мозку. Тут теж вдалося домогтися значних успіхів: буквально місяць тому дослідники з Алленовского інституту мозку повідомили, що їм вдалося визначити всю сукупність внутрішньомозкових зв'язків, правда, поки що тільки для мозку миші.
Але уявімо, що нам стали відомі всі з'єднання, які тільки є в мозку, що створений найдокладніший тривимірний атлас - чи достатньо нам цього, щоб зрозуміти, як мозок працює? Очевидно, немає, адже ми не будемо знати, як саме розподіляються нервові імпульси по всій системі зв'язків між нейронами і великими малими зонами мозку. В якості аналогії можна привести комп'ютерні мікросхеми: ми можемо скільки завгодно їх розглядати, але за їх зовнішнім виглядом ми не визначимо, чи працює зараз комп'ютер з відеофайлом або ж з текстовим редактором. Для цього нам потрібно залізти всередину мікросхеми, «побачити» електричні струми, які біжать по ній. І точно так само потрібно залізти всередину нейрона, дізнатися розподіл імпульсу по нервових клітинах, щоб зрозуміти, як там все працює.
Фіксувати та аналізувати активність нервових клітин вчені вміють давно. Як легко здогадатися, спостереження за активністю одного-єдиного нейрона нам нічого не скаже - потрібно знати, від кого він отримав сигнал і кому його передав, тобто активність всього ланцюжка, або хоча б більшої її частини. Але ж нейронні ланцюги існують не самі по собі, вони обмінюються інформацією між собою. Ми можемо визначити, яка група нейронів бере участь, наприклад, в рухової активності, але якщо ми хочемо отримати більш повну картину, якщо хочемо дізнатися, як сенсорна інформація «на вході» перетвориться в рухову активність «на виході», нам потрібно спостерігати відразу за всім мозком цілком.
Саме таке завдання спробували вирішити Роберт Преведел (Robert Prevedel) і його колеги з Інституту молекулярної патології у Відні і Массачусетського технологічного інституту. І їм вдалося її вирішити, правда, поки що ні на людському мозку, і не на мишачому, а все на тій же найпростішої нервової системи нематоди C. elegans і на мозку, який розвивається мальків даніо-реріо.
Дослідники модифікували черв'яків і риб так, щоб їх нейрони синтезували флуоресцентний білок: цей білок світився при змінах в рівні іонів кальцію всередині клітини. Як відомо, при порушенні та поширенні електричного імпульсу відбувається перерозподіл іонів по обидві сторони нейронної мембрани - власне, зміни в концентрації іонів і лежать в основі нервового імпульсу. Стежити за роботою нейрона можна по руху іонів всередину і зовні клітини, а якщо у нас є спеціальний світиться білок, який чутливий до таких перерозподілів іонів, то за роботою нервової клітини можна взагалі стежити своїми очима, нехай і за допомогою мікроскопа.
Насправді, така технологія давно застосовується для вивчення нервових імпульсів, але до сих пір її використовували на малому числі нервових клітин. На цей раз завдання вчених полягала в тому, щоб за допомогою білка, що світиться можна було спостерігати за роботою відразу всієї нервової системи, щоб зображення виходило об'ємним, і щоб активність нервової системи можна було фіксувати з великою швидкістю. Це вдалося зробити за допомогою особливого мікроскопічного методу, що дозволяє робити 50 знімків в секунду, які потім монтувалися в 3-D-зображення. Видно, які нейрони у хробака працюють в стані спокою, які - коли черв'як повзе, і які - коли він відчуває якийсь запах або тактильне роздратування. (Відео з повзучої світиться нематодою можна подивитися на YouTube .)
У нематоди C. elegans, як було сказано, на всю нервову систему, від голови до хвоста, припадає лише 302 нейрона. У малюків даніо-реріо нервових клітин вже 100 тисяч, і врахувати активність всіх відразу вчені не змогли, обмежившись поки що лише п'ятьма тисячами (що все одно непогано в порівнянні з трьомастами нейронами у черв'яків).
Дослідники відзначають слабке місце розробленого ними методу: він дозволяє бачити якусь середню активність всієї нервової клітини, але ось розгледіти активність окремого нейронного відростка, аксона або дендрита вже не дозволяє. Втім, дослідники сподіваються, що їм вдасться вдосконалити технологію і ще більше деталізувати зображення.
Робота ця по суті методична (і опублікована вона в Nature Methods), проте за допомогою такого методу можна буде дізнатися багато нового про функціонування нервових мереж в масштабах якщо не всього мозку, то хоча б його частини. Звичайно, можна сказати, що нервова система нематоди і рибки даніо-реріо незмірно простіше, ніж у людини, але, по-перше, цей метод можна буде застосувати до мозку яких-небудь піддослідних ссавців, а, по-друге, деякі закономірності роботи нервової системи можна досліджувати і на рівні простих черв'яків. Ще раз відзначимо головну особливість такого підходу: ми в реальному часі реєструємо роботу відразу всієї нервової системи (або хоча б досить великої частки нейронів). І завдяки тому, що активність нервових клітин видно тут без тимчасових затримок, ми можемо точніше уявити собі інформаційні процеси, які відбуваються в нервовій системі.
Правда, все-таки цю дилему між кількістю нейронів і їх активністю поки що так і не виходить вирішити до кінця: або ми бачимо дуже багато нейронів, але не можемо в деталях оцінити їх роботу, або навпаки - бачимо всі подробиці передачі імпульсів, але лише між обмеженим числом нервових клітин. Залишається сподіватися тільки на подальший науково-технічний прогрес.
Мозок риби даніо-реріо, вид зверху: тіла нейронів пофарбовані зеленим флуоресцентним білком, відростки-аксони - червоним. (Фото Wellcome Images / Flickr.com).
Нематода Caenorhabditis elegans з флуоресцентним білком, синтезується в клітинах нервових вузлів голови і хвоста. (Фото wormbase / Flickr.com).
<
>
