Электронный микроскоп позволил получить полное 3D-изображение мозга дрозофилы
Ученые из США и Великобритании впервые получили полное трехмерное изображение головного мозга взрослой дрозофилы с помощью просвечивающей электронной микроскопии. Это самое подробное на сегодняшний день изображение мозга насекомого. В результате исследования удалось описать все синаптические связи между нейронами головного мозга, а также описать неизвестный ранее тип клеток. Все полученные данные были опубликованы в открытом доступе и могут использоваться научным сообществом, пишут ученые в Cell.
Мозг фруктовой дрозофилы (Drosophila melanogaster) чаще других используется для исследования связей между нейронами, обучением и поведенческими реакциями. Как правило, для изучения трехмерной структуры нейронных связей в головном мозге применяются флуоресцентные белки или рентгеновская микротомография. Также нередко для исследования синаптических связей используют и электронную микроскопию, однако из-за сложной пробоподготовки и необходимости отдельно получать изображения большого количества отдельных срезов, исследовать таким образом крупные объемные изображения отдельных участков нейрональных цепочек (и уж тем более получать коннектом полностью) не удавалось.
Сделать эту задачу выполнимой и впервые получить с помощью просвечивающей электронной микроскопии полное трехмерное изображение головного мозга взрослой дрозофилы, содержащего около 100 тысяч нейронов, удалось группе исследователей из США и Великобритании под руководством Дэйви Бока (Davi Bock) из Медицинского института имени Говарда Хьюза.
Для этого сначала мозг дрозофилы обрабатывался с помощью тяжелых металлов, которые позволяли визуализировать клеточные мембраны. Затем из обработанных препаратов получали отдельные срезы толщиной около 40 нанометров, после чего каждый срез помещался на металлическую решетку и анализировался с помощью просвечивающего электронного микроскопа. Изображения каждого среза были получены с помощью специально спроектированного набора высокоскоростных камер. Скорость записи составляла 30 кадров в секунду (для сравнения, частота кадров у обычного просвечивающего микроскопа — около одного в секунду). Все полученные изображения после этого ориентировались нужным образом и соединялись в единую трехмерную мозаику.
Изображение одного среза (его размер составлял примерно 350 на 750 микрометров) можно было получить всего за 7 минут. Примерно 10 минут уходило на смену образца. Съемка и замена срезов происходили в автоматическом режиме. Всего таким образом было проанализировано более 7 тысяч срезов, в результате чего был получен примерно 21 миллион изображений общим объемом около 106 терабайт. После этого изображения всех срезов соединялись в единую трехмерную картину, в которой затем были визуализированы все синаптические связи, что позволило составить модель полного коннектома мозга дрозофилы.
Разрешение полученных микрофотографий достигало 1 нанометра. По словам ученых, это трехмерное изображение мозга дрозофилы — самое точное из полученных на данный момент. С помощью него удалось исследовать синаптические соединения всех нейронов в голове насекомого. При анализе полученных результатов ученые в первую очередь сфокусировались на тех нейронные цепях, которые проходили через грибовидное тело — участок мозга дрозофилы, в который поступает вся информация от внешних анализаторов. Например, таким образом удалось идентифицировать все известные клетки Кеньона, а также обнаружить неописанный ранее новый тип клеток, которые располагаются вокруг дендритов клеток Кеньона и выполняют вспомогательные функции.
Все полученные данные и программы, написанные для их анализа авторы работы выложили в открытый доступ, так что теперь ими могут пользоваться для своих исследований и другие ученые. Исследователи надеются, что эти данные позволят сильно ускорить изучение головного мозга дрозофилы и понять, как и по каким путям происходит передача сигналов при поведенческой активности насекомого.
Для исследования карты нейрональных связей в мозге дрозофилы используются и другие методы. Например, впервые полную модель коннектома ученым удалось построить с помощью модифицированного метода рентгеновской кристаллографии. Также для этих целей ученые предлагали использовать методы, основанные на искусственном интеллекте, с помощью которых, например, был построен атлас нейронной активности мозга дрозофилы, связывающий поведение и двигательную активность насекомых с работой отдельных групп нейронов.
Александр Дубов
С помощью модуляции дофаминовой сигнализации
Американские ученые разработали аденоассоциированный вирусный вектор, который несет ген, кодирующий человеческий глиальный нейротрофический фактор (GDNF). Введение этого вектора макакам-резусам с симптомами алкоголизма снижало вероятность злоупотребления алкоголя в течение года. Как сообщается в журнале Nature Medicine, такое изменение в поведении сопровождалось нейрофизиологическими модуляциями дофаминовой сигнализации в прилежащем ядре, которая обычно страдает при хроническом употреблении алкоголя. Несмотря на то, что расстройства, связанные с употреблением алкоголя, наносят огромный экономический и социальный ущерб, существует лишь несколько эффективных фармакотерапевтических средств. При этом не существует подходов, которые бы непосредственно воздействовали на лежащие в основе адаптации нейронные контуры, которые формируются при длительном употреблением алкоголя и лежат в основе алкогольной зависимости. Команда ученых под руководством Кристофа Банкевича (Krystof Bankiewicz) из Университета штата Огайо исследовала, как на эти схемы мог бы повлиять глиальный нейротрофический фактор (GDNF), поскольку известно, что он принимает непосредственное участие в регуляции дофаминергических нейронов (они непосредственно связаны с развитием алкоголизма). Для этого авторы разработали аденоассоциированный вирусный вектор, который несет ген, кодирующий человеческий GDNF. Поскольку неспособность длительно отказываться от алкоголя и неспособность сократить количество потребляемого алкоголя выступают двумя основными проблемами у людей с алкогольной зависимостью, ученые смоделировали такое поведение у макак. Они многократно повторяли циклы ежедневного опьянения с последующим воздержанием от алкоголя. Когда необходимые паттерны поведения были достигнуты, макаки-резусы четыре недели пили воду вместо этанола. Затем каждой обезьяне в мозг вводили либо экспериментальный, либо контрольный вектор. Через два месяца макакам возобновили доступ к алкоголю на четыре недели. В общей сложности ученые шесть раз повторили циклы принудительного воздержания и повторного введения алкоголя, чтобы смоделировать подобные циклы. Экспериментальный вектор значительно снижал потребление алкоголя в периоды повторного введения алкоголя в течение года (р ≤ 0,001). Причем у макак из экспериментальной группы наблюдалось снижение максимальной дозы потребляемого алкоголя уже в первый день после абстиненции (р ≤ 0,0001). Магнитно-резонансная томография и гистологические исследования тканей мозга показали, что лечение вектором с GDNF восстанавливало дофаминергическую функцию в прилежащем ядре, которая обычно снижена в мезолимбической системе после хронического употребления алкоголя. Повышенная экспрессия GDNF увеличивала доступность и использование дофамина в пути вознаграждения макак до значений, сравнимых со здоровыми макаками. Это доклиническое исследование показывает возможность нового подхода к лечению алкоголизма — с помощью генной терапии. Дальнейшие исследования будут направлены на изучение подробного профиля безопасности препарата у животных. Недавно мы рассказывали, что тягу к алкоголю (и другим веществам) можно зафиксировать с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии.