Ученые из Принстонского университета провели анализ 23433 пар головных нейронов модельной нематоды Caenorhabditis elegans с помощью прямой оптогенетической активации нейронов и одновременной визуализацией кальциевой передачи сигнала в мозге. Для каждого контакта между двумя нейронами был оценен знак (активирующий или ингибирующий), сила, временные изменения и направление передачи сигнала. Результаты исследования были представлены в Nature.
Анализ взаимодействий между нейронами в мозге подразумевает создание коннектомов – атласов, содержащих сведения о контактах между нейронами и их свойствах. Попытки получения коннектомов предпринимались в разных организмах, от многощетинкового червя Platynereis до мыши, однако наиболее глубоко продвинуться в этом направлении удалось в случае модельной нематоды С. elegans. Авторы нового исследования, недавно вышедшего в Nature, составили атлас распространения сигналов между нейронами с разрешением в одну клетку для С. elegans. Всего в анализ были включены 23433 пары взаимодействующих нейронов в головном ганглии червя – большинство возможных пар между нейронами в голове.
Для измерений, касающихся параметров взаимодействующих нейронов, с помощью двухфотонной стимуляции сначала активировали один-единственный нейрон, причем параллельно детектировалось распространение кальциевых сигналов в прилежащей популяции нейронов с разрешением в одну клетку. Сначала были проведены измерения активности у 113 червей дикого типа в течение 40 минут для каждого животного, причем каждые 30 секунд активировалась последовательность случайно выбранных нейронов. Продолжительность стимулирующего воздействия составила 0,3 – 0,5 с, чтобы амплитуда кальциевого ответа была умеренной – похожую амплитуду кальциевых сигналов можно пронаблюдать при естественном распознавании вещества-одоранта. Активация одного или нескольких нейронов ожидаемо приводила к повышению кальциевой активности во множестве нейронов.
Полученные данные были собраны в карту распространения сигналов, в которой авторам удалось визуализировать активность для 23433 пар нейронов – 66% от всех связей в головном ганглии нематоды. Параметры сигнала для некоторых пар были измерены лишь единожды, а для некоторых – целых 59 раз. Таким образом, исследователи зафиксировали активность для 186 из 188 нейронов в голове червя, то есть 99% нейронов головы. Дальнейший анализ включал статистическую проверку полученных данных, и некоторые пары нейронов эту проверку не прошли.
Результаты исследования обнародованы на платформе NemaNode. В общей сложности 1310 из 23433 измеренных нейронных пар были признаны функционально связанными. Кроме того, 11% всех функциональных связей являются ингибиторными. Авторы отмечают, что проведенные ими функциональные измерения отличаются от анатомических. Свой вклад в это несоотвествие может вносить внесинаптическая передача сигнала, не требующая непосредственного контакта двух нейронов. Эти результаты были получены на экспериментах с использованием мутантных нематод, не имеющих белка UNC-31 (CAPS), который необходим для передачи сигналов между нейронами с помощью пептидов и моноаминов.
Исследователи отмечают, что полученные ими сведения о распространении сигнала позволяют предсказывать спонтанную активность нейронов.
Текст: Елизавета Минина
Neural signal propagation atlas of Caenorhabditis elegans. Randi, F., Sharma, A.K., Dvali, S. et al. Nature 623, 406–414 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06683-4
