В прорыве, который может значительно изменить наше понимание работы мозга, учёные разработали инновационный белок, способный регистрировать входящие химические сигналы, получаемые клетками мозга. До сих пор исследования в основном фокусировались на исходящих сигналах, оставляя большую часть внутренних коммуникаций нейронов вне поля зрения. Эти важные входящие сообщения генерируются, когда нейроны высвобождают глутамат – ключевой нейромедиатор, необходимый для всех форм мозговой деятельности.
Значение глутамата для таких фундаментальных процессов, как обучение и память, неоспоримо, однако его активность до сих пор было крайне сложно измерить. Это связано с тем, что сигналы очень слабы и протекают с чрезвычайной скоростью. Новый разработанный инструмент позволяет фиксировать эти тонкие химические сообщения в момент их поступления, предоставляя исследователям доступ к той части мозговой коммуникации, которая долгое время оставалась невидимой.
Возможность непосредственно наблюдать входящие сигналы открывает новые горизонты для изучения того, как нейроны обрабатывают информацию. Каждая клетка мозга получает тысячи входных данных, и именно способ их комбинирования определяет, будет ли клетка генерировать исходящий сигнал. Считается, что этот процесс лежит в основе принятия решений, формирования мыслей и памяти, и его прямое изучение может помочь объяснить, как мозг выполняет свои сложные вычисления.
Это достижение также прокладывает новые пути в исследовании заболеваний. Проблемы с глутаматергической сигнализацией давно связывают с такими состояниями, как болезнь Альцгеймера, шизофрения, аутизм, эпилепсия и другими неврологическими расстройствами. Более точное измерение этих сигналов может помочь учёным выявить биологические корни этих заболеваний, что является критически важным шагом к их пониманию и лечению.
Разработка лекарственных препаратов также может значительно выиграть от этой технологии. Фармацевтические компании смогут использовать новые сенсоры для оценки того, как экспериментальные методы лечения влияют на реальную синаптическую активность. Это, в свою очередь, ускорит поиск более эффективных терапий и значительно сократит время, необходимое для вывода новых препаратов на рынок.
Белок под названием iGluSnFR4 (произносится как «глю-сниффер»), являющийся молекулярным «индикатором глутамата», был разработан исследователями из Института Аллена и Исследовательского кампуса Джанелия HHMI. Его исключительная чувствительность позволяет обнаруживать даже самые слабые входящие сигналы, обмениваемые между нейронами. Это похоже на то, как если бы мы смогли услышать шёпот в толпе, где раньше слышали только громкие крики.
Раскрывая, когда и где высвобождается глутамат, iGluSnFR4 предлагает новый способ интерпретации сложных паттернов мозговой активности, лежащих в основе обучения, памяти и эмоций. Он даёт учёным беспрецедентную возможность наблюдать за тем, как нейроны общаются внутри мозга в реальном времени. Результаты исследования были недавно опубликованы в престижном журнале «Nature Methods» и могут существенно изменить методы измерения и анализа нейронной активности в нейробиологии.
Чтобы в полной мере оценить значимость этого прорыва, важно вспомнить, как взаимодействуют нейроны. Мозг содержит миллиарды нейронов, которые общаются, посылая электрические сигналы по ветвящимся структурам, называемым аксонами. Когда электрический сигнал достигает конца аксона, он не может пересечь небольшой разрыв до следующего нейрона – это пространство известно как синапс.
Вместо этого сигнал запускает высвобождение нейромедиаторов в синаптическую щель. Глутамат – наиболее распространённый из этих химических посланников, играющий ключевую роль в памяти, обучении и эмоциях. Когда глутамат достигает следующего нейрона, он может заставить эту клетку «выстрелить», продолжая цепочку коммуникации. Этот процесс можно сравнить с падающими домино, но он несравненно сложнее.
Каждый нейрон получает входные данные от тысяч других, и только определённые комбинации и паттерны активности заставят принимающий нейрон активироваться. С помощью нового белкового сенсора учёные теперь могут точно определить, какие паттерны входящей активности приводят к этой реакции. До сих пор наблюдать эти входящие сигналы в живой мозговой ткани было практически невозможно. Предыдущие технологии были слишком медленными или не обладали необходимой чувствительностью для измерения активности на уровне отдельных синапсов. В результате исследователи могли видеть лишь фрагменты процесса коммуникации, а не его полный обмен. Новый подход позволяет им улавливать всю «беседу».
«Это как читать книгу, где все слова перемешаны, и вы не понимаете порядка слов или их расположения, – объясняет Каспар Подгорски, доктор философии, ведущий автор исследования и старший научный сотрудник Института Аллена. – Я чувствую, что то, что мы делаем, – это добавление связей между этими нейронами, и благодаря этому мы теперь понимаем порядок слов на страницах и их значение». До появления таких белковых сенсоров, как iGluSnFR4, учёные могли измерять только исходящие сигналы от нейронов. Это оставляло большой пробел в понимании, поскольку входящие сигналы были слишком быстрыми и слишком слабыми для обнаружения.
«Нейробиологи достаточно хорошо умеют измерять структурные связи между нейронами, и в отдельных экспериментах мы можем измерять то, что говорят некоторые нейроны в мозге, но мы не преуспели в объединении этих двух видов информации. Трудно измерить, какие нейроны говорят с какими другими нейронами, – добавляет Подгорски. – То, что мы изобрели здесь, – это способ измерения информации, которая поступает в нейроны из разных источников, и это было критически важной недостающей частью нейробиологических исследований».
Успех iGluSnFR4 стал возможен благодаря тесному сотрудничеству между командой проекта GENIE и лабораторией Каспара, начатому в Исследовательском кампусе Джанелия HHMI. Это исследование было расширено замечательной работой по характеристике in vivo, выполненной группой нейронной динамики Института Аллена. «Это прекрасный пример сотрудничества между лабораториями и институтами, позволяющего делать новые открытия в нейробиологии», – подчеркнул Джереми Хассеман, доктор философии, научный сотрудник Исследовательского кампуса Джанелия HHMI.
Это открытие преодолевает серьёзное ограничение в современной нейробиологии, делая возможным прямое наблюдение за тем, как нейроны получают информацию. С появлением iGluSnFR4, доступного для исследователей через Addgene, учёные получают мощный новый инструмент для более детального изучения функций мозга. По мере распространения этой технологии она может помочь найти ответы на некоторые из самых давних вопросов о мозге.
