Швейцарские исследователи разработали систему ультразвуковой функциональной нейровизуализации, благодаря которой удалось получить изображение областей мозга, работающих во время оптокинетического рефлекса. Ученые смогли добиться высокой детализации снимков, и это особенно важно, учитывая, что сбор информации выполнялся прямо во время поведенческого акта. Подробности работы опубликованы в журнале Neuron.
Трехмерная карта распределения активности по мозгу во время оптокинетического рефлекса. Красные – области повышения сигнала, синие – области понижения сигнала. Credit: Emilie Macé et al. / Neuron 2018
На сегодняшний день одним из самых точных методов, помогающих изучать активность мозга во время выполнения той или иной задачи, остается функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ). Однако, она обладает рядом минусов, которые ограничивают свободу научной мысли нейробиологов и в некоторой степени связывают им руки. Например, во время фМРТ любое, даже небольшое, движение головой может сказаться на качестве результатов. Плюс сигнал BOLD, получаемый из разницы между количеством в крови наполненного и бедного кислородом гемоглобина, слишком слабый, медленный и не может служить точным маркером активности нейронов какой-либо зоны мозга.
Однако, новости из Швейцарии воодушевляют. Научной группе из Института молекулярной и клинической офтальмологии Базеля, Института биомедицинских исследований Фридриха Мишера и Университета Базеля, при участии коллег из Бельгии, во главе с Ботондом Роской (Botond Roska) удалось создать такой метод записи активности всего мозга (сразу), который бы позволял в ходе эксперимента исследовать разные поведенческие акты, был бы менее дорогостоящим, имел большее разрешение и минимум ошибок. Это – функциональная ультразвуковая визуализация.
Концепцию методики первый автор работы Эмили Масе (Emilie Macé) разработала, когда трудилась в Париже. Она состоит в том, что с помощью ультразвукового датчика измеряют интенсивность микроциркуляции в то время, когда животное выполняет поведенческие задачи, и таким образом картируют все зоны мозга, которые отвечают за их воплощение.
Общая схема установки ультразвукового датчика. Credit: Emilie Macé et al. / Neuron 2018
Благодаря особенностям конструкции (в черепе подопытного животного проделывают «окно» и кладут пластик, помещая снизу агаровую прокладку, а сверху – гель для УЗИ), а также точности расчетов и картирования (используют Allen Mouse Brain Reference Atlas) разрешение получается крайне высоким (около 100 микрометров). Поэтому появляется возможность фиксировать возбуждение даже самых небольших структур, вплоть до отдельных ядер (скоплений серого вещества).
Авторы работы сконцентрировались на оптокинетическом рефлексе – врожденном акте поведения, который объединяет сферу чувств и движений. Информация от рецепторов движения сетчатки (направление-специфичные ганглионарные клетки) поступает в мозг, передается в области контроля над мышцами, двигающими глазными яблоками, и это позволяет нам сфокусироваться на объекте (вспомните, как вы в поезде или автобусе пытаетесь уследить за двигающимися деталями за окном). Сложность в том, что за движения глазных яблок отвечают сразу три пары черепно-мозговых нервов (из 12), ядра или функциональные центры которых «разбросаны» по центральным структурам мозга и стволу. Часть их находится в том числе в таламусе.
Исследователи включили в эксперимент три группы мышей и вызывали у каждой оптокинетический рефлекс, показывая двигающиеся картинки. Одни следили за ними свободно, и ученые фиксировали у них весь спектр активности, у других глаз был механически зафиксирован, и отключались области моторной активации, тогда как зоны «запуска» рефлекса оставались рабочими, а третьи выступали в качестве модели генетического заболевания, когда рефлекс вовсе «отключался» в сетчатке (congenital nystagmus).
Имея на руках детальную карту возбуждения, нейробиологи идентифицировали 181 зону мозга, из которых в рефлексе достоверно участвовали 87. Особенно их заинтересовали некоторые ядра в таламусе, которые, судя по всему, и переключают рефлекс с его чувствительной магистрали на двигательную, поскольку «молчат» во время модельной патологии, но активны (без активации моторного пути) во время механической фиксации глаза у мышей.
«Мы были удивлены, насколько точно мы можем отобразить мозговую активность и сколько областей мозга возбуждаются во оптокинетического рефлекса. Наша методика помогла обнаружить новые области, которые теперь можно более точно изучать и пытаться понять логику сенсомоторных преобразований на уровне мозговых микросхем», — комментирует Эмили Масе.
Ученые считают, что функциональная ультразвуковая визуализация высокого разрешения может стать новым универсальным инструментом в руках нейроученых, который позволит точно локализовать и другие поведенческие акты, причем, не только те, которые есть в норме, но и их патологические варианты. А это поможет лучше понять развитие многих неврологических и психических заболеваний. Разумеется, в животных моделях – для людей этот способ явно не подходит. А жаль.
Текст: Анна Хоружая
Whole-Brain Functional Ultrasound Imaging Reveals Brain Modules for Visuomotor Integration by Émilie Macé, Gabriel Montaldo, Stuart Trenholm, Cameron Cowan, Alexandra Brignall, Alan Urban and Botond Roska in Neuron. Published online December 2018.
https://doi.org/10.1016/j.neuron.2018.11.031
