Первый полный коннектом самца червя указал на нехватку нейронов у гермафродита

Нейробиологи собрали полный коннектом самца круглого червя Caenorhabditis elegans, сообщается в журнале Nature. Ранее была описана совокупность связей между нервными клетками гермафродита того же вида, но без учета их относительной силы (синаптических весов) и направления передачи сигналов. У самцов C. elegans, как выяснилось, 385 нейронов, в то время как у гермафродитов — всего 302. Помимо числа клеток нервные системы этих животных отличаются, главным образом, сетями связей, которые управляют половым поведением.

Согласно популярной в последние десятилетия концепции коннекционизма, все формы контроля нервной системы за другими органами и тканями, в том числе и поведение, обеспечиваются передачей сигналов между нервными клетками по заранее известным путям. Эти пути могут меняться: одни связи между нейронами возникают, а другие исчезают в зависимости от того, насколько часто данные клетки обмениваются сигналами. И хотя коннекционизм не позволяет объяснить некоторые явления, в целом модель работает, ей довольно удобно и привычно оперировать. Поэтому ученые картируют связи между компонентами нервных систем различных животных. Считается, что так можно понять, какие клетки за что отвечают.

Первым организмом, для которого стали поименно известны все нейроны и все синапсы между ними, стал круглый червь Caenorhabditis elegans. В 1986 году Сидней Бреннер (Sydney Brenner) с коллегами представили черновой вариант карты связей нервных клеток гермафродита этого вида (самок у C. elegans нет, только самцы и обоеполые особи). Карту составляли по электронным микрофотографиям серии срезов тела червя. Тогда выяснилось, что нейроны этого червя имеют довольно простую форму, а вся система тяготеет к минимализму: чувствительные клетки нередко образуют связи непосредственно с отвечающими за движения, чего у позвоночных почти никогда не бывает. Однако по коннектому, который собрал Бреннер, невозможно было понять, какие клетки сильнее других влияют на соседей (то есть не учитывались синаптические веса) и в какую сторону передаются сигналы в конкретном синапсе.

Новое исследование лишено этих недостатков. В ходе него на базе старых микрофотографий ученые выявили новые данные о коннектоме гермафродита Caenorhabditis elegans и благодаря анализу новых изображений картировали связи между всеми нервными клетками самца того же вида. При этом учитывали и те синапсы, которые нейроны образуют с мышцами и другими не входящими в состав нервной системы тканями и органами. По сравнению с более ранними работами, ученые улучшили методы трехмерной реконструкции моделей клеток. При построении коннектома самца C. elegans отдельные синапсы помечали флуоресцентными красителями, чего не делали в исследовании 1986 года. Это помогло понять, какая клетка выступает в роли пресинаптической (подает сигнал), а какая — в роли постсинаптической (принимает сигнал). Также благодаря красителям синапсы поделили на химические и электрические. Это важно, поскольку механизмы работы у них существенно отличаются.

Выяснилось, что в общих чертах системы связей нейронов и мышц у самцов и гермафродитов C. elegans весьма схожи. 294 клетки есть у представителей обоих полов, 8 присутствуют только у гермафродитов и 91 клетка специфична для самцов. За счет этого самцы имеют на 83 нейрона больше. Уникальные для каждого пола клетки сконцентрированы в задней части тела червя. Они контролируют половое поведение, но делают это совместно с нейронами, которые встречаются и у самцов, и у гермафродитов. Некоторые клетки, универсальные для обоих полов, обеспечивают самцам и гермафродитам разные паттерны поиска партнеров. Веса аналогичных синапсов у представителей двух полов нередко отличаются, даже если эти синапсы не входят в состав «сетей полового поведения».

Наличие полного коннектома и самца, и гермафродита C. elegans позволит выявить отдельные нейроны и системы связей, ответственные за те или иные формы поведения червя, с учетом межполовых различий. Но это животное исключительно в том плане, что число клеток в его теле и в каждой системе органов постоянно и очень мало (около тысячи). Другие виды устроены гораздо сложнее, однако их коннектомы тоже пытаются строить. В 2013 году исследователи собрали карту связей нейронов головы червя Pristionchus pacificus. По строению и размеру он близок к Caenorhabditis elegans, но пока гораздо слабее изучен. Тогда же предложили трехмерную модель связей внутри одного полушария мозга дрозофилы — популярнейшего модельного объекта генетиков и нейробиологов.

Светлана Ястребова