В последние десятилетия учёные выяснили много нового о том, как различные нейроны связываются и посылают друг другу сигналы. Но было трудно проследить активность отдельных нервных волокон, аксонов, способных тянуться от кончика пальца ноги до головы. Понимание работы этих связей важно для определения того, как мозг получает сигналы от других частей тела и реагирует на них.
Исследователи из Института Солка (Salk Institute) и Калифорнийского университета в Сан-Диего (University of California, San Diego) сообщают о новом методе отслеживания этих связей и определения, как нейроны взаимодействуют. Группа учёных использовала эту методику, чтобы узнать подробности того, как мозг реагирует на световые сигналы, получаемые сетчаткой глаза мышей. Результаты эксперимента были опубликованы в Cell Reports.
«Данное исследование — это прорыв, раньше никто не мог понять, как исследовать эти связи, — говорит профессор Сатчидананда Панда (Satchidananda Panda), соавтор статьи. — Новая техника позволила нам выйти далеко за пределы ограничений электронной микроскопии».
Разработанный учёными подход использует несколько различных лабораторных методов для определения нейронов одного конкретного типа — внутренних светочувствительных нервных клеток сетчатки глаза (ipRGCs). Эти клетки находятся в сетчатке глаза, экспрессируют белок под названием меланопсин, чувствительный к синему свету.
Команды Института Солка и Калифорнийского университета в Сан-Диего использовали вирус для доставки белка, генерирующего мини-синглетный кислород (miniSOG) в ipRGCs, чтобы клетки можно было подробнее рассмотреть под выборочной микроскопией. Система была разработана для привязки miniSOG к мембранам светочувствительных клеток, чтобы весь нейрон, включая длинные аксоны, доходящие до различных частей мозга, можно было легко отследить как под световым, так и под электронным микроскопом.
«Благодаря разработке и применению новых генетически модифицированных зондов для коррелированной многомерной свето- и электронной микроскопии, команды исследователей из Института Солка и Калифорнийского университета в Сан-Диего смогли проследить за процессами, происходящими на расстоянии нескольких сантиметров от нервных клеток, от сетчатки до нескольких мест, где они соединяются с участками мозга, ответственными за циркадные ритмы, зрачковый рефлекс и зрение, — говорит Марк Эллисман (Mark Ellisman), профессор Калифорнийского университета в Сан-Диего. — Мы смогли получить беспрецедентную трёхмерную информацию о механизме, необходимом для того, чтобы нейронные клетки сигнализировали последующим нейронам в сложных цепях».
Большая часть предшествующей работы с miniSOG была выполнена в клеточных линиях, но использование их в исследованиях на мышах, чтобы обозначить, как нейроны из сетчатки прокладывают путь в мозг, согласно исследователям, было проделано впервые. Метод позволил получить новую информацию о связях между ipRGC и различными частями мозга.
Известно, что ipRGC связаны с множеством областей мозга, регулирующих различные задачи. Клетки сообщают одной части мозга, насколько светло снаружи, чтобы зрачок мог закрыться менее чем за секунду. ipRGC также подключаются к главным часам в мозгу, регулирующим наш цикл сна и бодрствования. «Однако чтобы мы полностью проснулись, требуется несколько минут яркого света, — говорит Панда. — До сих пор не ясно, как одни и те же ipRGC выполняют совершенно разные задачи с разным масштабом времени».
Исследователи обнаружили, что разница связана с тем, как свет, определяемый сетчаткой, попадает в мозг. Внедрив ipRGC в глаза мышей, они смогли отследить сигнал в часть мозга, отвечающую за сужение зрачка в ответ на свет.
«Эти соединения достаточно сильные, они как напор воды, вытекающей из садового шланга, — говорит Панда. — В то время как связь между ipRGC и основными часами слабее и больше похожа на капельное орошение». Поскольку ipRGC передают световой сигнал в циркадный центр посредством более медленной системы, требуется больше времени для получения значимой информации и сброса внутренних часов в мозгу.
«Наше исследование помогает объяснить, почему, когда вы ночью встаёте, чтобы выпить воды и включаете свет на несколько секунд, обычно, вы можете снова заснуть, — говорит Панда. — Но если вы услышите шум и будете ходить по дому полчаса при включённом свете, заснуть будет намного сложнее. Светового сигнала, достигающего основных нейронов, связанных с часами в мозгу, будет достаточно, чтобы пробудить остальную часть мозга».
Панда говорит, что новая методика будет полезна для изучения других нейронных связей, так как исследователи могут использовать практически одни и те же вирусы для экспрессии miniSOG в любом нейроне и выяснять, как различные нейроны соединяются с различными придатками.
«Эти результаты и методы открывают новые возможности для исследователей мозга, изучающих отдалённые связи в мозгу в различных моделях заболеваний человека», — добавляет Эллисман.