С микроскопом на голове. Нейробиологи на пороге новых открытий

*

Мечта всех нейробиологов - получить инструмент для отслеживания в режиме реального времени миллионов взаимодействий между клетками мозга у животных, а еще лучше - у человека. А если подопытные не зафиксированы, а свободно гуляют в естественных условиях - это было бы фантастически интересно. Новые технологии, разработанные в университете Рокфеллера, являются огромным шагом к этой амбициозной цели.

Ожидается, что изобретение ученых, доклад о котором был опубликован в издании ”Nature Methods”, предоставит исследователям технологию для изучения динамических процессов в мозге при различных ситуациях поведения животных. Хотя предназначен он для экспериментов с мышами, информация, полученная в результате опытов, способна пролить свет на нейронную активность и у человека - у людей много схожего с животными. Руководитель проекта - Алипаша Вазири (Alipasha Vaziri), который заведует Лабораторией нейротехнологий и биофизики университета Рокфеллера. Авторы надеются, что с помощью их изобретения, например, можно будет лучше понять физиологическую основу многих болезней, представляющих собой расстройство мозга. К ним относятся такие распространенные заболевания как аутизм и шизофрения.

Вазири говорит, что предложенный инструмент обеспечит множество будущих открытий. В то время как животное движется в естественных условиях, некоторые нейроны обеспечивают пространственную навигацию, другие получают сенсорную обратную связь от изменений положения тела или от системы зрения. До сих пор никто не смог наблюдать эти процессы - как различные нейроны, находящиеся на разных глубинах в объеме мозговой ткани, динамически взаимодействуют друг с другом при обычном свободном движении организма. Точно также инструмент можно использовать для фиксирования нейронных связей в момент, когда два животных встречаются и начинают социально взаимодействовать друг с другом.

*

Технологически метод заключается в том, что на голову мыши прикрепляют крошечный микроскоп, оснащенный специальной группой линз. Эти линзы позволяют микроскопу получать изображения с нескольких углов, и с помощью сенсорной микросхемы создается трехмерная картина нейронов, вспыхивающих и затухающих после прохождения по ним электрохимических импульсов - при обычном взаимодействии клеток мозга. В экспериментах мышиные нейроны генетически модифицированы, для того чтобы обеспечить свечение во время активации - это уже известная и широко применяемая технология. Коаксиальный кабель, прикрепленный к верхней части микроскопа, передает данные для записи на компьютер. Микроскоп с передатчиком весят всего лишь четыре грамма - примерно столько же мышь может без труда удерживать у себя на голове. Вазири предполагает, что они смогут усовершенствовать “шлем” и сделают его еще легче. Наверняка можно будет сделать и беспроводную передачу данных, чтобы меньше ограничивать свободу передвижения подопытных животных.

В момент, когда массив микролинз захватывает изображения светящихся нейронов из объема мозговой ткани, наступает следующий этап - нужно обработать этот массив. Мозговая ткань по природе своей не прозрачна, и это затрудняет определение источника каждой вспышки нейрона. Команда Вазири решила эту проблему путем разработки нового компьютерного алгоритма. Этот алгоритм использует статистические распределения нейронов в пространстве и анализирует рассеяние света при каждой активности, что позволяет одновременно и точно регистрировать вспышки внутри объема мозга, несмотря на сильные поглощающие свойства ткани.

В результате получается четкое изображение, в котором отдельные нейроны последовательно мигают, наглядно демонстрируя взаимодействие разных участков мозга.

*

Лаборатория Вазири ранее уже применяла этот алгоритм, названный ими аббревиатурой SID, в статичных исследованиях, когда головы мышей были зафиксированы в одном положении. Усовершенствовав технологию, они стали первыми, кому удалось продемонстрировать активность нейронов в объеме мозга у свободно перемещающихся животных. Для этого они использовали крошечный микроскоп под названием Miniscope, разработанным сотрудничающими с ними учеными из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.

Технология в случае широкого использования сможет предложить несколько преимуществ по сравнению с обычной сейчас двухфотонной лазерной микроскопией, применяемой нейробиологами. Двухфотонная лазерная микроскопия регистрирует активность нейронов только в отдельных фокальных плоскостях - тонких виртуальных «срезах» образца мозга, которые затем последовательно объединяются друг с другом для создания трехмерного изображения. Напротив, метод Вазири одновременно захватывает данные в трех измерениях по всему объему ткани, делая мониторинг активности быстрым и эффективным. Ну а про возможность мобильного ношения “шлема” и говорить не приходится.

Команда Вазири планирует продолжить совершенствование своего уникального инструмента. Дальнейшая задача - регистрация активности нейронов во все большей части мозга, пока что это сравнительно ограниченный участок. Также нужны более высокие разрешение и частота мониторинга. Ученые надеются, что их работа в конечном итоге приведет к более глубокому пониманию того, как мозг животного и человека обрабатывает информацию, что лежит в основе поведения особи.

*