Заснеха работата на нервната система

Активността на няколкостотин неврона при червеи и няколко хиляди неврона в мозъка на риби е записана в реално време.

За да разберем как работи мозъкът, е необходимо с точност да си представим неговата структура.

Ако си спомним особеностите на стареенето на нервните клетки, тяхната способност да образуват голямо множество междуклетъчни връзки, то става ясно, че под структура на мозъка тук трябва да се разбира не само „мащабният“ строеж (малкият мозък, таламусът, кората и т.н.), но и цялата система от връзки между тях.

Разбира се, мозъкът има голям запас пластичност – междуклетъчните синапси в него ту се появяват, ту изчезват. Но в мозъка има, ако може така да се каже, постоянни канали за връзка, които остават неизменни и които формират материалната основа на вътремозъчните информационни потоци.

Досега единственият организъм, при който връзките в нервната система са били обрисувани във всички детайли, остава нематодът Caenorhabditis elegans. При този червей нервната система се състои общо от 302 клетки, така че учените успели доста бързо да изяснят кое с какво се съединява – към 1986 година била създадена пълна карта на междуневронните връзки на C. elegans.

Учените много бързо се замислили да направят подобна карта и за човешкия мозък, но в човешкия мозък невроните не са 302, а приблизително 100 милиарда, така че можем да си представим каква колосална работа стои пред изследователите.

Тъй като невроните не просто образуват аморфна мрежа, те се натрупват във функционалните зони, изпълняващи една или друга задача, и тези зони на свой ред взаимодействат помежду си вече на макрониво и се подчиняват на някакви добавъчни архитектурни правила. И всичко това изключително много усложнява задачата по картографиране на мозъка.

Изследователите се опитват да решат този проблем от различни страни и с доста неочаквани методи. Миналата година изследователите от Станфордския университет успели да направят мозък на мишка и фрагмент от човешки мозък почти прозрачни – нервната тъкан се третира с препарат така, че в нея остават само белтъчните „скелети“ на нервните клетки и с помощта на флуоресцентни белтъци може да се проследи разпределението на нервните израстъци от външните слоеве на кората до самите недра на мозъка.

От друга страна, продължава да се ползва с успех старият метод на картографиране, когато нервната тъкан се нарязва на хиляди слоеве, всеки с дебелина няколко десетки микрометра, а след това тези слоеве внимателно се разглеждат, за да се оценят приликите и разликите. Анализирайки този строеж, може да се построи триизмерна карта на мозъка с висока точност.

Такива работи се водят постоянно и мозъчните атласи постепенно стават все по-детайлни. Така отново миналата година група учени от Изследователския център в Юлих (Германия), заедно с колеги от други научни центрове в Германия и Канада, успели да създадат триизмерен атлас на човешкия мозък с резолюция 20 микрометра – тази карта на мозъка се оказала 50 пъти по-точна, отколкото нейните предшественици.

Често невробиолозите се занимават само с отделно взети аспекти от невронната архитектура, да речем опитват се да представят схема на проводните пътища между всички зони на мозъка. Тук също са постигнали значителни успехи: буквално преди месец изследователите от института на мозъка „Алън“ съобщиха, че са успели да определят цялата съвкупност на вътремозъчните връзки, макар засега само при мишки.

Но да си представим, че са ни известни всички съединения, които има в мозъка, че е създаден най-подробният триизмерен атлас – достатъчно ли ни е това, за да разберем как работи мозъкът? Очевидно не, тъй като не знаем как се разпределят нервните импулси по цялата система от връзки между невроните и малките и големите зони на мозъка.

Като аналог може да се дадат компютърните микросхеми: ние можем колкото си искаме да ги разглеждаме, но по външния им вид няма да определим работи ли сега компютърът с видеофайл, или с текстови редактор.

За това ни е необходимо да надникнем вътре в микросхемата, да „видим“ токовете, които бягат по нея. И точно така трябва да влезем вътре в неврона, да разберем разпределението на импулса по нервните клетки, за да разберем как работи всичко там.

Учените отдавна умеят да фиксират и анализират активността на нервните клетки. Както е лесно да се досетим, наблюденията на активността на един-единствен неврон нищо няма да ни каже – необходимо е да знаем откъде той е получил сигнала и на кой ще го предаде, тоест активността на цялата мрежа, или поне на по-голямата ѝ част.

Но тъй като невронните мрежи съществуват не сами по себе си, те обменят информация помежду си. Ние можем да определим каква група неврони участва например в двигателната активност, но ако искаме да получим по-пълна картина, ако искаме да разберем как сензорната информация „на входа“ се преобразува в двигателна активност „на изхода“, ни е необходимо да погледнем целия мозък.

Именно такава задача са се опитали да решат Робърт Преведел и колегите му от Института по молекулярна патология във Виена и Масачузетския технологичен институт. И успели да я решат, макар засега все още не на човешки мозък и не с мишки, а на същата проста нервна система на нематодите C. elegans и на развиващия се мозък на риба зебра.

Изследователите модифицирали червея и рибата така, че техните неврони синтезирали флуоресцентен белтък. Този белтък светел при изменения на ниво калциеви йони в клетката. Както е известно, при възбуда и разпространение на електрически импулс протича преразпределяне на йоните от двете страни на невронната мембрана – именно измененията в концентрацията на йоните лежи в основата на нервния импулс.

Работата на неврона може да се следи по движението на йоните вътре и извън клетката, а ако имаме специален светещ белтък, който е чувствителен към такива преразпределения на йоните, то можем да следим работата на нервната клетка със собствените си очи, макар и с помощта на микроскоп.

Всъщност такава технология се прилага отдавна за изучаване на нервните импулси, но досега тя се използваше на малък брой нервни клетки. Този път задачата на учените била с помощта на светещия белтък да наблюдават работата на цялата нервна система, за да получат обемно изображение и да фиксират активността на нервната система с голяма скорост.

Това станало с помощта на специален микроскопичен метод, позволяващ да се правят 50 снимки в секунда, които след това се монтирали в 3D изображение. Вижда се какви неврони работят в състояние на покой, какви – когато червеят пълзи, и какви – когато той чувства мирис или тактилно дразнение.

Нематодите C. elegans, както беше споменато, от главата до опашката имат общо 320 неврона. Рибите зебра вече имат 100 000 клетки и учените не могли да отчетат активността на всички едновременно, като се ограничили само върху 5000.

Изследователите отбелязват слабото място на разработения от тях метод: той позволява да се види средната активност на цялата нервна клетка, но не може да се разгледа активността на отделен нервен израстък, аксон или дендрит. Впрочем учените се надяват, че ще успеят да усъвършенстват технологията и още повече да детайлизират изображението.

Работата е методична (и е публикувана в Nature Methods), но с помощта на този метод може да се разберат много нови неща за функционирането на нервните мрежи в мащаби ако не на целия мозък, то поне на негови части.

Разбира се, може да се каже, че нервната система на нематодите и рибите зебра е несравнимо по-проста, отколкото при човека, но, първо, този метод може да се прилага към мозъка на бозайници, а второ, някои закономерности от работата на нервната система може да се изследват и на ниво прости червеи.

Още веднъж да посочим главната особеност на такъв подход: в реално време регистрираме работата едновременно на цялата нервна система (или поне на достатъчно голям брой неврони). И благодарение на това, че активността на нервните клетки се вижда без задръжки във времето, можем по-точно да си представим информационните процеси, които протичат в нервната система.

И все пак дилемата между количеството неврони и тяхната активност така и не е решена докрай – ние или виждаме много неврони, но не можем детайлно да оценим тяхната работа, или обратно – виждаме всички подробности по предаването на импулсите, но само между ограничен брой нервни клетки. Остава да се надяваме само на бъдещия научно-технически прогрес.