Представьте себя парящим над инопланетным городом с миллиардами мигающих огней тысяч разных типов, с задачей выяснить, какие из них связаны между собой, по какому пути течет электричество и как это превращается в ночную жизнь. Добро пожаловать в глубокий мозг.
Даже в эпоху, которая быстро стала известна как расцвет нейробиологии, отслеживание биохимических сигналов среди миллиардов нейронов в глубине мозга оставалось труднодостижимым и затруднительным.
Группе исследователей из Стэнфордского университета удалось наметить одну такую связь, скрытую в мозгу живого движущегося млекопитающего, когда они манипулировали его поведением. Этот подвиг предлагает беспрецедентно крупный план генезиса социального поведения на клеточном уровне и может помочь понять психиатрические загадки, такие как аутизм, депрессия и тревога.
"Это новый вид данных, который никому раньше не удавалось получить – клетки одного типа, проецирующиеся из одной глубокой области мозга в другую во время поведения," сказал Стэнфордский биоинженер и нейробиолог Карл Дейссерот, старший автор исследования, опубликованного на этой неделе в журнале Cell.
Команда Дейсерота полагалась на генетику, оптоволокно и группу мышей-самок.
Лаборатория Deisseroth в Стэнфорде уже впервые применила оптогенетику в нейробиологии, методику, которая доставляет свет через зонд толщиной с волос, чтобы стимулировать клетки, которые были модифицированы светочувствительным геном. Впервые продемонстрированная в 2007 году, оптогенетическая стимуляция не только изменила масштаб и точность исследования мозга, но и позволила исследователям лучше различать причины и следствия, которые часто были запутаны с помощью обычных устройств визуализации и обнаружения.
Вскоре исследователи начали широко использовать эту технику для манипулирования клетками мозга лабораторных животных. Они обнаружили, что стимуляция одной клетки мозга оказывает сильное влияние на поведение.
Однако выяснение того, как это работает, зависело от отслеживания соединений или "прогнозы," от стимулированных нейронов.
Глубокий мозг – это очень "шумный" место. Крошечные изменения напряжения, которые распространяются вдоль аксонов, тонких волокон, которые отходят от ядра нейрона, трудно различить. Исследователи обычно добавляют флуоресцентные свойства ионам кальция, которые помогают управлять этим изменением напряжения в аксонах, чтобы они могли "видеть" крупномасштабное свидетельство деятельности. Но никто не смог отследить этот сигнал в аксоне, пока животное реагировало на стимуляцию.
"Он погребен в шуме, и его слишком мало, чтобы увидеть в поведении животного," Деиссерот сказал. "Мы никогда не могли этого увидеть. Нам никогда не удавалось наблюдать, как животные обычно используют проекции."
Команда Стэнфорда попробовала новый трюк. Исследователи доставляли свет с определенной частотой, измельчая его причудливой вертушкой. Поскольку ионы кальция флуоресцируют с той же частотой, что и падающий свет, команда разработала устройство, которое улавливает только этот сигнал. Это позволило им следить за сигналом в режиме реального времени, пока они записывали поведение животного. Они называют новую технику волоконной фотометрией.
Остальное было относительно простой игрой на грызунах. Члены лаборатории поместили зонды в области, которые они изменили для оптогенетической стимуляции, установили инструменты обнаружения, затем провели испытания, чтобы проверить реакцию мыши на других мышей.