Новые методы могут помочь исследователям наблюдать за вычислением нейронов

By Вадим Вайтишин No comments

нейрон
                Кредит: CC0 Public Domain

По крайней мере, с 1950-х годов исследователи предполагают, что мозг — это своего рода компьютер, в котором нейроны образуют сложные цепи, которые выполняют неисчислимое количество вычислений каждую секунду. Спустя десятилетия нейробиологи знают, что эти мозговые цепи существуют, но технические ограничения не позволяют большинству деталей их вычислений быть недоступными.
                                                                                       

Теперь, неврологи сообщили 12 декабря в Cell, что они, наконец, смогут раскрыть, какие замыслы находятся глубоко в мозге, во многом благодаря молекуле, которая светится ярче, чем когда-либо прежде. в ответ на тонкие электрические изменения, которые нейроны используют для выполнения своих вычислений.

В настоящее время одним из лучших способов отследить электрическую активность нейронов являются молекулы, которые загораются в присутствии ионов кальция, прокси для пика нейрона, момент, когда один нейрон передает электрический сигнал другому. Но кальций течет слишком медленно, чтобы уловить все детали всплеска нейрона, и он совсем не реагирует на тонкие электрические изменения, которые приводят к всплеску. (Одной из альтернатив является имплантация электродов, но эти имплантаты в конечном итоге повреждают нейроны, и нецелесообразно помещать электроды в более чем горстку нейронов одновременно у живых животных.)

Чтобы решить эти проблемы, исследователи во главе с Майклом Лином, доцентом нейробиологии и биоинженерии и членом Института нейронаук У Цай, и Стефаном Дьедонне, директором по исследованиям INSERM в École Normale Supérieure в Париже, сосредоточились на флуоресцентные молекулы, яркость которых напрямую зависит от изменений напряжения в нейронах, идея, над которой Лин и его команда работали годами.

Тем не менее, у этих молекул была собственная проблема: их яркость не всегда была такой чувствительной к напряжению, поэтому Лин и его команда в Стэнфорде обратились к хорошо известному в биологии методу, называемому электропорацией. В этом методе исследователи используют электрические датчики для закрытия отверстий в клеточных мембранах, с побочным эффектом, когда их напряжение быстро падает до нуля, как у пробитой батареи. Выбрав библиотеку из молекул-кандидатов, Лин и его коллеги могли выбрать тех, чья яркость наиболее чувствительна к сдвигу напряжения. Полученная молекула, названная ASAP3, является наиболее чувствительным индикатором напряжения на сегодняшний день, сказал Лин.

Дьедонне и его лаборатория сосредоточились на другой проблеме: как более эффективно сканировать нейроны в глубине мозга. Чтобы заставить флуоресцентные молекулы, такие как ASAP3, загораться глубоко в мозгу, исследователи часто используют технику, называемую двухфотонную визуализацию, в которой используются инфракрасные лазерные лучи, которые могут проникать через ткани. Затем, чтобы сканировать несколько нейронов достаточно быстро, чтобы увидеть всплеск, который сам длится всего около одной тысячной доли секунды, исследователи должны быстро перемещать лазерное пятно от нейрона к нейрону — что трудно надежно сделать при перемещении животных. Решением, найденным Дьедонне и его коллегами, стал новый алгоритм, называемый сверхбыстрым локальным возбуждением объема, или ULoVE, в котором лазер быстро сканирует несколько точек в объеме вокруг нейрона, все сразу.

«Такие стратегии, при которых каждый лазерный импульс формируется и направляется в нужный объем внутри ткани, представляют собой оптимальное использование силы света и, мы надеемся, позволят нам регистрировать и стимулировать миллионы участков мозга каждую секунду», — Дьедонне сказал.

Объединяя эти методы, исследователи показали на мышах, что они могут отслеживать мелкие детали мозговой деятельности в большей части коры головного мозга, верхних слоях мозга, которые контролируют движение, принятие решений и другие более высокие когнитивные функции.

«Теперь вы можете смотреть на нейроны в живом мозге мыши с очень высокой точностью, и вы можете отслеживать это в течение длительных периодов времени», — сказал Лин. Помимо прочего, это открывает двери для изучения не только того, как нейроны обрабатывают сигналы от других нейронов и как они решают, так сказать, когда всплеск, но и того, как вычисления нейронов меняются со временем.

Тем временем Лин и его коллеги сосредоточены на дальнейшем совершенствовании своих методов. «ASAP3 очень удобен сейчас, но мы уверены, что будут ASAP4 и ASAP5», — сказал он.

Добавить комментарий