Як працює нервова система – вчені взяли відео

Активність декількох сотень нейронів у глистів і кілька тисяч нейронів у мозковому мозку.

Щоб зрозуміти, як працює мозок, потрібно точно показати свою структуру. Якщо згадуємо особливості структури нервових клітин, їх здатність формувати велику кількість міжклітинних контактів, то стає зрозуміло, що структура мозку тут слід розуміти не тільки як «великий блок» структура (церебець, таламус, кора тощо), але і всю систему зв'язків між ними. Звичайно, мозок має великий запас пластичності: з'являються міжклітинні сипси в ній і зникають. Однак в мозку є, щоб говорити, постійні канали зв'язку, які залишаються незмінними і які утворюють матеріал основи внутрішньочерепних інформаційних потоків.





До теперішнього часу описано єдиний організм, в якому з'являються зв'язки в нервовій системі, що залишається нематодним каенорхабдитом. Цей черв'як має нервову систему лише 302 клітин, тому нейронауковці змогли зрозуміти, що він з'єднує досить швидко – 1986 року, створено повну карту міжневрольних з'єднань с. слонів. Звісно, вчені вирішили зробити схожу карту для мозку людини, але людський мозок не має 302, але близько 100 мільярдів нейронів, тому ви можете уявити, що титанічне завдання дослідники стикаються. Крім того, нейрони не просто утворюють аморфну мережу, вони складаються в функціональні зони, які виконують конкретне завдання, і ці зони, в свою чергу, взаємодіють один з одним на макрорівні і обманюють деякі додаткові архітектурні правила. І все це робить його неймовірно важко малювати мозок.

Вчені намагаються вирішити цю проблему з різних куточків, іноді досить несподівані методи. Минулого року дослідники в Університеті Станфорду вдалося зробити мозок мишки і фрагмент мозку людини практично прозорою: нервова тканина лікувалася миючим засобом, щоб в ньому залишався тільки білок «скалетони» нервових клітин, а з використанням флуоресцентних білків, можна простежити поширення нервових процесів від зовнішніх шарів кори до самого інтер'єру мозку.

З іншого боку, старий метод картування продовжує бути успішним, де нервова тканина нарізається на тисячі шарів через кілька десятків мікрометрів товстої, а потім ці шари зірються, оцінюючи схожість і відмінності. При аналізі їх структури можна побудувати тривимірну карту мозку з підвищеною точністю. Таку роботу проводять постійно, а мозкові атласи поступово стають більш детальними. Так, знову минулого року команда вчених з Науково-дослідного центру Jülich (Німеччина), спільно з колегами з інших дослідницьких центрів Німеччини та Канади, вдалося створити об’ємний атлас головного мозку людини з роздільною здатністю 20 мікрометрів – ця карта мозку була 50 разів більш точною, ніж її попередники.

Нерідко нейронауковці мають справу лише з одним аспектом нейронної архітектури, наприклад, намагаючись на карті шляхів між усіма зонами мозку. Тут теж вдалося досягти значних успіхів: лише місяць тому, дослідники з Інституту мозку Аллен повідомляють, що вони змогли визначити весь набір внутрішньочеребральних з'єднань, однак, так далеко тільки для мозку мишки.

Але ми знаємо всі зв'язки, які існують в мозку, які були створені найбільш детальні об'ємні атласи - це достатньо зрозуміти, як працює мозок? Очевидно не, тому що ми точно не знаємо, як нервові імпульси розподіляються по всій мережі з'єднань між нейронами і великими, невеликими ділянками мозку. Як аналогові, комп'ютерні чіпси можуть бути використані: ми можемо виглядати на них так само, як ми, але з їх зовнішнього вигляду ми не можемо визначити, чи працює комп'ютер з відеофайлом або текстовим редактором. Для цього нам необхідно потрапити всередині чіпа, «дивитись» електричні струми, які пропускають через неї. А таким же чином, ви повинні піти всередині нейрона, ви повинні знати розподіл імпульсу через нервові клітини, щоб зрозуміти, як це працює.

Вчені давно змогли записувати і проаналізувати активність нервових клітин. Легко вгадувати, що спостереження діяльності одного нейрона не розповість нічого – нам потрібно знати, що він отримав сигнал від і до якого він передається, тобто активність всього ланцюжка, або принаймні більшість з них. Але нейронні схеми не існують самі, вони обмінюються інформацією один з одним. Ми можемо визначити, яка група нейронів бере участь, наприклад, в моторній діяльності, але якщо ми хочемо отримати більш повну картину, якщо ми хочемо знати, як сенсорний вхід перетворюється в моторний вихід, нам необхідно відразу подивитися на весь мозок.

Це саме те, що Роберт Преведель та його колеги Інституту молекулярної патології у Відні та Інституті технологій Массачусетса намагалися вирішити. І вони зуміли вирішити це, однак, ще не на головному мозку людини, а не на мишці, але на такій же простої нервової системи нематоду С. селеганів і на розвиток мозку смажених зебриків.

Дослідники змінили черв'яки і рибу, щоб їх нейрони синтезували флуоресцентний білок: цей білок світиться при зміні рівня іонів кальцію всередині клітини. Як відомо, при збудженні і пропагації електричного імпульсу іони перерозподіляють з обох сторін нервової мембрани - по суті, зміни концентрації іонів є основою нервового імпульсу. Ви можете контролювати роботу нейрона шляхом руху іонів в клітинку, і якщо у нас є особливий світлий протеїн, який чутливий до таких перерозподілів іонів, після чого ви можете взагалі стежити за роботою нервової клітини власними очима, припускати з мікроскопом.

Насправді, ця технологія довго використовується для вивчення нервових імпульсів, але до тепер вона використовується на невеликій кількості нервових клітин. Цього разу завдання науковців було використовувати білок, щоб контролювати роботу всієї нервової системи одночасно, щоб образ був об'ємним, і що активність нервової системи може бути записана при високій швидкості. Це зроблено за допомогою спеціального мікроскопічного методу, що дозволяє взяти 50 зображень на другий, які потім монтувалися в 3-D зображення. Ви можете побачити, які нейрони в глибині знаходяться в стані спокою, які коли черв'як це креветка, і які коли відчувається деякий запах або тактильна стимуляція. (Відео відео ріжучих нематодів можна переглянути на YouTube.

У с. слони нематод, всю нервову систему, від голови до хвоста, має лише 302 нейронів. Смажений зебрасі вже має 100 000 нервових клітин, і вчені не змогли врахувати активність всіх відразу, обмежуючи себе лише п'ять тисяч (що ще не погано в порівнянні з трьома сотними нейронами в черв'яках).

Дослідники відзначають слабку точку способу, яку вони розвивалися: це дозволяє побачити деякі середні дії цілої нервової клітини, але вона більше не дозволяє бачити активність одного нейронного процесу, аксон або дендрит. Тим не менш, дослідники сподіваються, що вони зможуть поліпшити технологію і далі деталізувати зображення.

Ця робота по суті методична (і вона опублікована в природних методах), але за допомогою такого методу можна дізнатися багато про функціонування нейромереж на масштабі, якщо не весь мозок, то принаймні частина його. Звичайно, ми можемо сказати, що нервова система нематодів і zebrafish є надзвичайно простим, ніж у людини, але, по-перше, цей метод може застосовуватися до мозку деяких експериментальних ссавців, і, по-друге, деякі візерунки нервової системи можна вивчити на рівні простих черв'яків. Ще раз, ми вказуємо основну особливість даного підходу: ми записуємо роботу всієї нервової системи (або принаймні досить велика частка нейронів) в режимі реального часу. І завдяки тому, що активність нервових клітин видно тут без затримок часу, ми можемо більш точно уявити інформаційні процеси, які відбуваються в нервовій системі.

Тим не менш, це дилема між числом нейронів і їх діяльністю ще не повністю вирішена: або ми бачимо багато нейронів, але не можемо оцінити свою роботу докладно, або навпаки - ми бачимо всі деталі передачі імпульсів, але тільки між обмеженою кількістю нервових клітин. Ми можемо лише сподіватися на подальший науково-технічний прогрес.



Джерело: nkj.ru