3D карта мышиного мозга показывает сложность реального строения нейронов

На одном из крупнейших в мире конгрессов по нейронаукам SfN’s 47th annual meeting, который пройдет 11-15 ноября 2017 года в Вашингтоне, округ Колумбия, ученые из Вирджинии представят трёхмерную карту мышиного мозга, на которой покажут местоположение и связи более 300 нейронов. Новый метод позволяет картировать мозг с большей скоростью и точностью, а также уйти от примитивных изображений нейронов, которые дают современные учебники.

В этой сложной реконструкции каждый нейрон представлен другим цветом. Источник: Janelia Research Campus, MouseLight project team


Команда учёных различного профиля из Janelia Research Campus, Эшберн, штат Вирджиния, создала самую обширную и точную на сегодняшний день карту мозга мыши. На ней представлены более 300 картированных нейронов, отростки которых в длину достигают до полуметра и связывают области мозга даже в разных полушариях. В предыдущих попытках отслеженные нейроны исчислялись лишь десятками.

«Триста нейронов – это только начало», – говорит нейробиолог Джаярам Чандрашекар (Jayaram Chandrashekar), который возглавляет проектную команду Janelia, названную MouseLight (картирование использует метод «высвечивания» отдельных нейронов в мозге мыши).

Он и его коллеги хотят отследить сотни новых нейронов в ближайшие месяцы и выложить данные в свободный доступ для всего нейронаучного сообщества.

Учёные замечают, что в типичном учебнике по биологии нейроны выглядят как жареное яйцо с хвостом. Они посылают сообщения по хвосту (аксону), а другие нейроны принимают сообщения через ветвящиеся усики, называемые дендритами. Информация, перебрасываемая между этими клетками, позволяет людям взять чашку кофе или вспомнить, где они положили ключи от машины. Научный мир, по словам Чандрашекара, давно знает, что изображение нейронов в учебниках очень упрощено. Нервные клетки часто гораздо более протяженные и связанные, чем принято думать.

Картирование – крайне трудоёмкий процесс. Нужно подсветить нейроны внутри мозга, нарезать мозг на тонкие слайсы, отсмотреть эти «ломтики» с помощью микроскопа, а затем выделить отдельные нейроны среди миллионов собранных изображений. Команда Janelia решила проблему с помощью тонкой настройки каждого этапа процесса.

Источник: Janelia Research Campus, MouseLight project team


В проекте участвуют исследователи самых разных профилей – от неврологов и анатомов до компьютерных специалистов и инженеров-программистов. Вначале исследователи вводят в мозг мыши вирус, который подсвечивает всего несколько десятков нейронов. Затем команда «очищает» мозг – помогает свету проникать в ткань. После этого высокотехнологичный световой микроскоп бьёт в мозг импульсами света, снимает изображение выделенных нейронов и делает мозговой срез на 200 микрометров с помощью вибрирующего лезвия. Процесс повторяется до тех пор, пока не будет отображён весь мозг.

Сверхбыстрая версия метода, называемого двухфотонной микроскопией, обеспечивает достаточно энергии, чтобы подсвечивать нейроны флуоресцированием без освещения других фокальных плоскостей. Она даёт исследователям чёткие изображения, необходимые для нейронного картирования. Каждый отображаемый головной мозг хранит около 20 терабайт данных – около 4 000 DVD. Сложные алгоритмы используются для сшивания изображений вместе, и команда из семи обученных людей просматривает итоговый набор данных, чтобы вручную выискать отдельные нейроны.

«Эти люди – нейронные «следователи» на полную ставку; их усилия и используемое ими программное обеспечение имеют решающее значение для высококачественного картирования»,  – говорит нейробиолог Нельсон Спрустон (Nelson Spruston), старший директор научных программ в Janelia. «Два года назад каждому человеку была нужна неделя или две, чтобы проследить путь нейрона через мозг. Сегодня, используя алгоритмы отслеживания нейронов и программное обеспечение, разработанные MouseLight и группой Scientific Computing Janelia, каждый член команды может отслеживать примерно один нейрон в день», – говорит он. «Мы достигнем 1000 отслеженных нейронов примерно через год».

Один из нейронов, отслеженный в мозге мыши (показан розовым), проходит по полушариям, отправляя ветвящиеся аксоны в разные области. Источник: Janelia Research Campus, MouseLight project team


Пройдя эту отметку, команда ожидает, что данные дадут новое представление о том, как сложно ветвящиеся нейроны маршрутизируют доставку информации в мозг.

Даже после отслеживания всего 300 нейронов команду ожидали сюрпризы. Например, аксоны отдельных нейронов в таламусе часто соединяют неожиданные сочетания кортикальных областей, такие, например, как области, связанные с вкусом, прикосновениями и движениями, а в области, связанной с обучением и памятью, нейроны почти всегда устанавливают контакты в нескольких разных местах.

В неокортексе или коре головного мога –  структуре, связанной с высшей нервной деятельностью – многие одиночные нейроны широко разветвляют свои отростки. Один из нейронов, которые исследователи проследили, «пробегал» по всей коре, отправляя длинные ветвистые отростки в оба полушария, что при подцвечивании на карте похоже на взрыв фейерверка.

Предполагается, что новый ресурс позволит каждому ученику с подключением к Интернету визуализировать реальные нейроны, а не просто картинки в учебниках. По словам авторов, работа команды, создающая сотни высококачественных однонейронных реконструкций, представленных в легко доступном электронном справочнике, может ускорить научные исследования и направлять формирование гипотез.

«Это даст более полное представление о том, как сигналы нейронов проходят через головной мозг», — говорят учёные.


Текст: Полина Гершберг

Читайте материалы нашего сайта в FacebookВКонтакте и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *