Žvilgsnis į smegenis

Tamsaus kambario viduryje ant mikroskopo scenos nejudėdama guli labai ypatinga pelė. Prieš kelis mėnesius pelės kaukolėje buvo išpjautos dvi mažos skylutės, kurios atidengė kietąją smegenų membraną – išorinę smegenų membraną – ir apačioje esančias kraujagysles. Skylės buvo visam laikui uždengtos skaidriu stiklu, kad mokslininkai galėtų pažvelgti tiesiai į pelės smegenis, kur kai kurie jos neuronai švyti žaliai po mikroskopo lazerio šviesa.

Norėdami pamatyti šios smegenų stebėjimo laboratorijos vaizdus, paspauskite čia .

Ši istorija buvo mūsų 2006 m. rugsėjo mėn. numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

Kai anestezuota pelė miega, Wei-Chung Lee, MIT Picower mokymosi ir atminties centro doktorantas, padaro vieno neurono nuotraukų seriją. Jis sujungs šias nuotraukas į 3D neurono vaizdą ir palygins jį su tos pačios ląstelės vaizdu, sukurtu prieš savaitę, kad nustatytų, kaip jis pasikeitė laikui bėgant.

Ši technika suteikė MIT mokslininkams precedento neturintį žvilgsnį į stebėtiną neuronų augimą suaugusių pelių kasdieniame gyvenime. Jūs matote visą eilę augimo tipų, kuriuos matote vystymosi metu, pvz., augimo šuolius, išplėtimus, atsitraukimus ar naujus papildymus, sako Elly Nedivi, MIT neurobiologijos docentė, vadovaujanti tyrimui. Tai yra tai, ką smegenys daro kasdien. Nedivi padėjo sukurti naują vaizdo gavimo procedūrą bendradarbiaudamas su MIT bioinžinerijos skyriaus vaizdo gavimo ekspertu Peteriu So, tikėdamasis geriau ištirti sudėtingų šakų pavidalo projekcijų tinklų, perduodančių pranešimus tarp neuronų, pokyčius. Tai, ką ji nustatė, padeda pakeisti mokslinį smegenų vaizdą.

Kadaise mokslininkai manė, kad suaugusiųjų smegenys dažniausiai buvo statinės struktūros – kad po kūdikystės ir paauglystės nervinio augimo šuolio neuronų ryšiai buvo visam laikui išdėstyti kaip asfaltuotų kelių tinklas. Tačiau vis daugiau įrodymų rodo, kad suaugusiųjų smegenys turi stebėtiną gebėjimą persitvarkyti. Nedivi ir jos komanda suteikė naują paramą šiai idėjai, pateikdami pirmąjį gyvų gyvūnų įrodymą, kad neuronų informacijos mainų projekcijos gali augti ir trauktis suaugus, kokybiškai panašiais būdais, kaip jie daro ankstyvame gyvenime.

Neurologai žinojo, kad suaugusiųjų smegenyse turi įvykti kai kurie nerviniai pokyčiai, nes mes ir toliau mokomės visą gyvenimą. Tačiau žmonės nežinojo, ar tą plastiškumą lydi struktūriniai pokyčiai, sako Kalifornijos universiteto San Diege neurologas Davidas Kleinfeldas. Nedivi ir jos bendradarbiai, pasak jo, parodė, kad bent vieno konkretaus tipo neuronai toliau auga ir vystosi suaugusioje pelėje.

Nedivi atradimo raktas buvo galimybė savaitę po savaitės pažvelgti į tą patį gyvo gyvūno neuroną. Daugumoje ankstesnių neuroplastiškumo tyrimų – smegenų gebėjimo formuoti naujas nervines jungtis – buvo tiriamos smegenų skiltys, smegenų dalys, kurios išlaikomos gyvos trumpą laiką. Nors tokie in vitro tyrimai leidžia mokslininkams patikrinti, kaip neuroninius ryšius veikia specifiniai veiksniai, tokie kaip elektros srovės ar įvairių rūšių vaistai, jie negali parodyti, kas nutinka gyvų smegenų neuronams gyvūnui senstant ar vystantis. liga arba yra auginamas atskirai.

Žvelgiant į tą pačią ląstelę kelias savaites, galima pastebėti lėtą neuronų augimą smegenyse. Nedivi tikisi panaudoti šį procesą, kad nustatytų, kas negerai vyksta pelių, sukurtų Alzheimerio ligai ir šizofrenijai modeliuoti, smegenyse. Tokie tyrimai suteiks naujos informacijos apie žmonių ligas ir būdą išbandyti naujus gydymo būdus.

Mokslininkai taip pat tikisi nustatyti geriausius būdus, kaip paskatinti smegenų ląsteles augti. Jei neuronus būtų galima įtikinti, kad tam tikrose smegenų ar nugaros smegenų dalyse augtų naujos projekcijos, jie galėtų kompensuoti žalą, padarytą dėl nugaros smegenų pažeidimo ar insulto.

Žydintis medis

Norėdami stebėti neuronus gyvose smegenyse, Nedivi ir jos bendradarbiai įdėjo langus į pelių kaukoles, genetiškai modifikuotus taip, kad keliose atsitiktinai atrinktose smegenų ląstelėse būtų gaminami fluorescenciniai dažai. Pro langus jie fotografuoja fluorescencinius neuronus naudodami dviejų fotonų mikroskopą – instrumentą, kuris sukuria labai didelės raiškos vaizdus.

Itin greitas titano-safyro lazeris siunčia šviesos paketus per sudėtingą lęšių ir veidrodžių seriją, kuri nukreipia šviesą į atskiras anestezuotos pelės smegenų ląsteles. Fluorescuojantys dažai pasirinktuose neuronuose šviečia tik tada, kai du fotonai patenka į dažų molekulę lygiai tuo pačiu metu, todėl galima tiksliau vaizduoti ląsteles. (Todėl patalpoje turi būti pilkai tamsu: bet kokią pašalinę šviesą gautų mikroskopo fotonų detektorius, purvindamas gautą vaizdą. Tyrėjai nešioja priekines lempas, jei reikia reguliuoti įrangą.)

Neuronai susideda iš centrinio ląstelės kūno ir daugybės išsišakojusių projekcijų, kurios tęsiasi į skirtingas smegenų dalis, kad siųstų ir priimtų elektrinius signalus. Norėdami užfiksuoti visą tam tikro neurono struktūrą, lazeris nuskaito jį horizontaliais skerspjūviais, kiekvienu braukimu giliau į smegenis. Tyrėjai peržiūri vaizdus, ​​kurie primena Jacksono Pollocko paveikslus, ir pasirenka formas, atitinkančias projekcijas. Tada kompiuterinė programa sujungia vaizdus ir sukuria 3D modelį.

Norėdami užfiksuoti, kaip laikui bėgant keičiasi neuronai, MIT tyrėjai kas savaitę kelias savaites fotografuoja tą patį neuroną, naudodami netoliese esančias kraujagysles, kad padėtų jį rasti. Anksčiau šiais metais publikuotame dokumente Viešoji mokslo biologijos biblioteka , komanda parodė, kad dendritai – projekcijos, kurias neuronai naudoja informacijai iš kitų smegenų ląstelių gauti – gali augti, suktis ir lenktis, siųsdami naujus ūglius kaip žydintį medį. Tai labai galinga – jūs iš tikrųjų matote pokyčius, sako Lee. Ir kadangi vaizdai yra paimti iš gyvo gyvūno, pasak jo, jie daug tiksliau užfiksuoja smegenų elgesį nei smegenų pjūvio vaizdai, kuriuose daugelis nervinių jungčių nutrūksta.

Tokio tipo augimas dar niekada nebuvo pastebėtas tiriant gyvus gyvūnus. Ankstesni tyrimai, naudojant dviejų fotonų vaizdavimą, nustatė nedidelius struktūrinius dendritinių spyglių pakitimus, mažyčius iškilimus dendritų paviršiuose. Tačiau šie tyrimai atkūrė tik mažas kiekvieno neurono dalis. Modeliuodami visas ląsteles, Nedivi ir kolegos galėjo pastebėti didesnio masto pokyčius, kurie anksčiau galėjo būti nepastebėti. Labiausiai jaudinantis jų darbas yra tai, kad jis rodo nenumatytą neuronų dinamiškumą, sako Joshas Sanesas, Harvardo universiteto neurologas, kurio laboratorija sukūrė tyrime naudojamas peles.

Be to, Nedivi komanda nustatė, kad šiuos pokyčius patiria tik tam tikro tipo neuronai. Ankstesni tyrimai buvo skirti sužadinamiesiems neuronams, kurie siunčia elektrinius signalus, dėl kurių užsidega kiti neuronai. Kita vertus, slopinantys neuronai išskiria chemines medžiagas, kurios neleidžia kitiems neuronams šaudyti. Būtent šie neuronai gali išplėsti ir atitraukti naujas projekcijas. Slopinantys neuronai smegenyse yra mažiau paplitę nei jų sužadinantys pusbroliai ir yra mažiau ištirti.

Augimo veiksniai

Pirmieji Nedivi eksperimentai buvo skirti pelėms, gyvenančioms standartinį laboratorinį gyvenimą, tačiau dabar, kai ji ir jos komanda nustatė normalų suaugusiųjų nervų plastiškumo dydį, jie gali ištirti, kaip skirtingi aplinkos ar genetiniai veiksniai veikia smegenų augimą. Pavyzdžiui, ankstesni tyrimai parodė, kad dovanojant jauniems graužikams žaislus arba auginant juos įvairiame kraštovaizdyje, atsiranda naujų smegenų ląstelių. Dviejų fotonų vaizdavimas leis tyrėjams ištirti, kaip gyvenimas sudėtingoje aplinkoje daro įtaką smegenų nervinei organizacijai. Lee neseniai pradėjo tyrinėti, kaip regėjimo trūkumas veikia nervų plastiškumą regos žievėje. Šie projektai padės tyrėjams išsiaiškinti, ar dėl skirtingos aplinkos gyvūnų neuronai auga greičiau, ar dažniau persitvarko, ir ar šie pokyčiai galiausiai lemia elgesio skirtumus.

Tuo tarpu Nedivi sako, kad ją užplūdo mokslininkų, tyrinėjančių tokias ligas kaip Alzheimerio liga ir šizofrenija, prašymai. Kai apibūdinsime kiekvienos skirtingos ligos problemą – galbūt auga mažiau projekcijų arba paveikiamas tik tam tikros rūšies neuronas – tada galime pritaikyti gydymą šiai problemai, sako ji. Taip pat galėtume naudoti šią technologiją kaip platformą terapijoms tikrinti.

Žinoma, kiekvienam eksperimentui prie mikroskopo prireiks mėnesių. Kiekvienam neuronui atvaizduoti reikia valandų, o iš dvimačių vaizdų sukurti trimatį modelį. Be to, mokslininkai turės kruopščiai palyginti daugelio gyvūnų neuronus, kad suprastų, kaip skiriasi sergančių ir sveikų ląstelių elgesys. Deja, laikas yra tai, ko Nedivi šiuo metu neturi; laboratorija naudoja pritaikytą mikroskopą So laboratorijoje. Kartą per savaitę jos mokiniai supakuoja savo peles ir nuveža jas į laboratoriją, vaizduodami tiek neuronų, kiek leidžia laikas. Nedivi netrukus tikisi gauti 500 000 USD, reikalingų savo laboratorijoje įrengti instrumentą, kuris suteiktų jos tyrėjams neribotą laiką stebėti, kaip veikia smegenys.

paslėpti