19 ноября 2010

Новый метод визуализации, разработанный в Стэнфорде, демонстрирует ошеломляющие детали связей между клетками мозга

Исследователи медицинской кафедры Стэнфордского Университета, применяя передовую систему визуализации для рассмотрения образцов мозговой ткани мышей, смогли быстро и точно определить местонахождение и посчитать огромное количество связей между нервными клетками, что можно назвать беспрецедентным случаем, а также зафиксировать и распределить по типам удивительное разнообразие этих связей.

Обычный здоровый мозг человека содержит около 200 млрд. нервных клеток, или нейронов, связанных друг с другом посредством сотни триллионов крошечных контактов, названных синапсами. При помощи таких синапсов электрический импульс, идущий по одному из нейронов, переходит к другому, усиливая или уменьшая вероятность того, что второй нерв активизирует свой импульс. Один нейрон может создавать десятки тысяч синаптических контактов с другими нейронами, говорит Стивен Смит, доктор философии, профессор молекулярной и клеточной физиологии и основной автор публикации, описывающей данное исследование, которая появится в издании Нейрон (18 ноября).

Поскольку синапсы настолько малы и так близко расположены друг к другу, было очень трудно понять сложные нейронные схемы, которые отвечают за наше мышление, чувства и движения. Но новый метод сможет помочь ученым понять сложные маршруты этих связей. Он сочетает фотографии с высоким разрешением и специальные флуоресцентные молекулы, которые присоединяются к различным белкам и мерцают разными цветами. Мощный компьютер фиксирует данную информацию и преобразует ее в изображение.

После детального исследования ученые установили, что синапс, который в диаметре меньше, чем одна тысячная миллиметра, является особой зоной контакта и состоит из окончаний двух нейронов, разделенных крошечным промежутком. Химические вещества, выходящие из окончания одного нейрона, преодолевают этот промежуток, запуская электрическую активность в следующем нейроне, таким образом, передавая нервный сигнал. Возможно, уже известны некоторые типы синапсов, охарактеризованных согласно виду химического вещества, содержащегося в них. В различных белках, на том или ином примыкающем нейроне содержатся, соответственно, разные синаптические типы, что связано с расположением, выделением и поглощением различных химических веществ.

Количество синапсов в мозге меняется со временем. Моменты их быстрого разрастания в периоды эмбрионального развития, младенчества и юности сменяются такими же всплескам их массового «сокращения», во время которого ликвидируются малоиспользуемые синапсы, и в конечном итоге, с возрастом происходит их постепенное и равномерное сокращение. Количество и устойчивость синаптических связей в различных областях мозга также меняется, когда мы спим, бодрствуем и изучаем новое. Множество нейродегенеративных нарушений имеют место, когда ослабляется сигнал определенных типов синапсов в ключевых отделах головного мозга.

В частности, кора головного мозга — тонкий слой ткани на поверхности мозга – представляет собой густое переплетение нейронных разветвлений. «В одной только коре головного мозга человека находится более 125 трлн. синапсов», — говорит Смит. Это примерно эквивалентно количеству звезд в 1 500 галактиках Млечного пути, как он отметил.

Но, по мнению Смита, попытки отследить сложную схему коры головного мозга до сих пор были бесполезной затеей. «Нам оставалось только догадываться об этом. Синапсы в мозге расположены так близко друг к другу, что их невозможно было внимательно изучить даже при помощи самого мощного традиционного оптического микроскопа», — говорит Смит. «Теперь мы фактически можем посчитать их и, более того, охарактеризовать по типам».

Метод визуализации под названием векторная томография, изобретенный совместно Смитом и Кристиной Мичевой, доктором философии, старшим научным сотрудником в лаборатории Смита, использовался в данном исследовании следующим образом: полоса ткани — в нашем случае, кора головного мозга мыши — была аккуратно разрезана на участи толщиной всего лишь 70 нанометров. (Это расстояние заполнено 700 водородными атомами, теоретически выстроенными в линию, рядом друг с другом.) Эти ультратонкие срезы были окрашены антителами, специально разработанными, чтобы соответствовать 17 различным белкам, соединенными синапсами, и далее они были изменены путем объединения с молекулами, которые реагируют на свет, мерцая различными цветами.

Группы из 3 антител присоединялись к участкам мозга. В момент каждого присоединения производилось огромное количество фотографий с очень высоким разрешением, которые фиксировали местоположение различных флуоресцентных цветов, внедренных с помощью антител в различные синаптические белки. Затем данные антитела удалялись химическим путем, и процедура повторялась со следующей группой из трех антител, и так далее. Таким образом, каждый отдельный синапс обладал собственной «подписью» белкового состава, позволяя получить детальную информацию о различных синаптических типах в мозге.

Вся информация, зафиксированная на фотографиях, была внесена и обработана с помощью новаторской компьютерной программы, большая часть которой была разработана соавтором исследования Брэдом Бассом, аспирантом в лаборатории Смита. Она фактически соединила все части первоначальной полосы в виде трехмерного изображения, которое ученые могут вращать, проникать сквозь него и управлять им. Стэнфордская команда использовала образцы мозга мыши, которые руками биоинженеров были трансформированы таким образом, чтобы особо большие нейроны, изобилующие в коре головного мозга, выделяли флуоресцентный белок, свойственный медузам, которые мерцают желтовато-зеленым цветом. Это позволило им визуализировать синапсы на фоне связанных нейронов.

Исследователи получили возможность изучать получившуюся трехмерную мозаику и наблюдать различные цвета, соответствующие различным синаптическим типам, подобно тому, как если бы кто-то попал в открытый космос и наблюдал различные оттенки звезд, усеивающих бесконечную черноту. С помощью такой программы можно также создавать видеоролики.

Такой уровень детальной визуализации никогда не достигался прежде, говорит Смит. По его словам, — «Анатомическая среда синапсов полностью сохранена. Вы точно знаете, где каждый из них находится и какой тип представляет».

«После данного исследования, кажется невероятным, насколько сложно устроен мозг», — отмечает Смит. «Один синапс, сам по себе, больше похож на микропроцессор, с элементами хранения памяти и обработки информации, чем на простой переключатель. Фактически, один синапс может содержать порядком 1 000 переключателей молекулярного масштаба. В мозге одного человека содержится больше переключателей, чем у всех компьютеров, маршрутизаторов и подключений к сети Интернет на Земле», — говорит Смит.

В ходе исследования, первоначальная цель которого заключалась в демонстрации применения новой технологии в области неврологии, Смит и его коллеги обнаружили несколько новых, четких различий в группе синапсов, которые ранее считались идентичными. Теперь его группа сосредоточена на использовании векторной томографии для определения дополнительных различий, что должно ускорить прогресс в области неврологии, к примеру, при определении, сколько и какие подтипы приобретаются или теряются в процессе обучения, после травматической боли, или при нейродегенеративных нарушениях, таких как болезнь Альцгеймера. При поддержке Национального Института Здравоохранения лаборатория Смита использует векторную томографию для изучения образцов ткани мозга после болезни Альцгеймера, полученных из Стэнфорда и Университета Пенсильвании.

«Я предполагаю, что в течение нескольких лет, векторная томография станет основным инструментом в сфере клинической патологии, а также инструментом исследования лекарственных средств», — говорит Смит. Он и Мичева решили основать компанию, которая в настоящее время собирает инвестиции для дальнейшей работы по данному направлению. Стэнфордское Агентство лицензирования технологий уже получило один патент США на векторную томографии и заполнило заявку на второй патент.

Далее по теме: