Ielūkošanās smadzenēs

Piķa melnas telpas vidū uz mikroskopa skatuves nekustīgi guļ ļoti īpaša pele. Mēnešus iepriekš peles galvaskausā bija izgriezti divi mazi caurumi, kas atklāja dura - smadzeņu ārējo membrānu - un zemāk esošos asinsvadus. Caurumi ir pastāvīgi pārklāti ar caurspīdīgu stiklu, lai zinātnieki varētu tieši ielūkoties peles smadzenēs, kur daži tās neironi mikroskopa lāzera gaismā mirdz zaļā krāsā.

Lai skatītu šīs smadzeņu novērošanas laboratorijas attēlus, noklikšķiniet šeit .

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2006. gada septembra numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Kamēr anestēzētā pele guļ, Vei Čuns Lī, MIT Pikovera mācību un atmiņas centra doktorants, uzņem viena neirona attēlu sēriju. Viņš apvienos šīs fotogrāfijas neirona 3-D attēlā un salīdzinās to ar tās pašas šūnas attēlu, kas izveidots pirms nedēļas, lai noteiktu, kā tas laika gaitā ir mainījies.

Šis paņēmiens ir devis MIT zinātniekiem nepieredzētu skatījumu uz pārsteidzošo neironu augšanu pieaugušo peles ikdienas dzīvē. Jūs redzat visu attīstības laikā redzamo augšanas veidu klāstu, piemēram, augšanas lēcienus, pagarinājumus, ievilkumus vai jaunus papildinājumus, saka Ellija Nedivi, MIT neirobioloģijas asociētā profesore, kas vada pētījumu. Tas ir tas, ko smadzenes dara ikdienā. Nedivi palīdzēja izstrādāt jauno attēlveidošanas procedūru sadarbībā ar Pīteru So, attēlveidošanas ekspertu MIT bioinženierijas nodaļā, cerot labāk izpētīt izmaiņas sarežģītos zaru projekciju tīklā, kas pārraida ziņojumus starp neironiem. Viņa ir atklājusi, ka palīdz mainīt smadzeņu zinātnisko priekšstatu.

Kādreiz zinātnieki domāja, ka pieaugušo smadzeņu struktūra lielākoties ir statiska — ka pēc zīdaiņa un pusaudža vecuma neironu augšanas uzplūdiem savienojumi starp neironiem tika pastāvīgi izveidoti, piemēram, bruģētu ceļu tīkls. Taču arvien vairāk pierādījumu liecina, ka pieaugušo smadzenēm ir pārsteidzoša spēja reorganizēties. Nedivi un viņas komanda ir snieguši jaunu atbalstu šai idejai, sniedzot pirmos pierādījumus dzīviem dzīvniekiem, ka neironu informācijas apmaiņas projekcijas pieaugušā vecumā var augt un atkāpties tādā veidā, kas ir kvalitatīvi līdzīgs tam, ko viņi dara agrīnā dzīves posmā.

Neirozinātnieki zināja, ka pieaugušo smadzenēs ir jānotiek dažām nervu izmaiņām, jo ​​mēs turpinām mācīties visu mūžu. Bet cilvēki nezināja, vai šo plastiskumu pavada strukturālas izmaiņas, saka Deivids Kleinfelds, Kalifornijas Universitātes Sandjego neirozinātnieks. Nedivi un viņas līdzstrādnieki, viņš saka, ir parādījuši, ka vismaz viena noteikta veida neironi turpina augt un attīstīties pieaugušajā pelē.

Nedivi atklājuma atslēga bija spēja nedēļu no nedēļas aplūkot vienu un to pašu neironu dzīvā dzīvniekā. Lielākajā daļā iepriekšējo pētījumu par neiroplastiskumu – smadzeņu spēju veidot jaunus neironu savienojumus – tika pārbaudītas smadzeņu šķēles, smadzeņu daļas, kas tiek turētas dzīvas īsu laiku. Lai gan šādi in vitro pētījumi ļauj zinātniekiem pārbaudīt, kā neironu savienojumus ietekmē konkrēti faktori, piemēram, elektrības grūdieni vai dažāda veida zāles, tie nevar parādīt, kas notiek ar neironiem dzīvās smadzenēs, kad dzīvnieks noveco vai attīstās. slimība vai tiek audzēts izolēti.

Aplūkojot vienu un to pašu šūnu nedēļas periodu, var atklāties lēna neironu augšana smadzenēs. Nedivi cer izmantot šo procesu, lai noteiktu, kas noiet greizi peļu smadzenēs, kas izstrādātas, lai modelētu Alcheimera slimību un šizofrēniju. Šādi pētījumi sniegs gan jaunu informāciju par cilvēku slimībām, gan veidu, kā pārbaudīt jaunas terapijas.

Pētnieki arī cer noteikt labākos veidus, kā veicināt smadzeņu šūnu augšanu. Ja neironus varētu pierunāt izveidot jaunas izvirzījumus noteiktās smadzeņu vai muguras smadzeņu daļās, tie varētu kompensēt muguras smadzeņu traumas vai insulta radītos bojājumus.

Ziedošs koks

Lai novērotu neironus dzīvās smadzenēs, Nedivi un viņas līdzstrādnieki ievietoja logus peļu galvaskausos, kas ģenētiski izstrādāti, lai ražotu fluorescējošu krāsvielu dažās nejauši izvēlētās smadzeņu šūnās. Caur logiem viņi fotografē fluorescējošos neironus, izmantojot divu fotonu mikroskopu, instrumentu, kas rada ļoti augstas izšķirtspējas attēlus.

Īpaši ātrs titāna-safīra lāzers nosūta gaismas paketes caur sarežģītu lēcu un spoguļu sēriju, kas virza gaismu uz atsevišķām anestēzijas peles smadzeņu šūnām. Fluorescējošā krāsviela atlasītajos neironos spīd tikai tad, ja divi fotoni precīzi vienlaikus saskaras ar krāsas molekulu, ļaujot precīzāk attēlot šūnas. (Tāpēc telpai jābūt piķa melnai: mikroskopa fotonu detektors uztvers jebkādu svešu gaismu, tādējādi izputinot iegūto attēlu. Pētnieki valkā galvas lampas, ja nepieciešams pielāgot aprīkojumu.)

Neironi sastāv no centrālās šūnas ķermeņa un virknes sazarotu projekciju, kas stiepjas dažādās smadzeņu daļās, lai nosūtītu un saņemtu elektriskos signālus. Lai notvertu visu noteiktā neirona struktūru, lāzers to skenē horizontālos šķērsgriezumos, ar katru slaucīšanu iegremdējot dziļāk smadzenēs. Pētnieki aplūko attēlus, kas atgādina Džeksona Polloka gleznas, un izvēlas formas, kas atbilst projekcijām. Pēc tam datorprogramma savieno attēlus, lai izveidotu 3-D modeli.

Lai reģistrētu, kā neironi laika gaitā mainās, MIT pētnieki fotografē vienu un to pašu neironu katru nedēļu vairākas nedēļas, izmantojot tuvumā esošos asinsvadus, lai palīdzētu to atrast. Rakstā, kas publicēts šā gada sākumā Zinātņu bioloģijas publiskā bibliotēka , komanda parādīja, ka dendriti — projekcijas, ko neironi izmanto, lai saņemtu informāciju no citām smadzeņu šūnām — var augt, griezties un saliekties, izsūtot jaunus dzinumus kā ziedošu koku. Tas ir ļoti spēcīgs — jūs faktiski varat redzēt izmaiņas, saka Lī. Un, tā kā attēli ir savākti no dzīva dzīvnieka, viņš saka, tie daudz precīzāk uztver smadzeņu uzvedību nekā smadzeņu šķēles attēli, kuros daudzi nervu savienojumi ir pārtraukti.

Šāda veida augšana nekad iepriekš nebija novērota pētījumos ar dzīviem dzīvniekiem. Iepriekšējie pētījumi, izmantojot divu fotonu attēlveidošanu, atklāja nelielas strukturālas izmaiņas dendrītu mugurkaulās, sīkus izciļņus uz dendrītu virsmām. Bet šajos pētījumos tika rekonstruētas tikai nelielas katra neirona daļas. Modelējot visas šūnas, Nedivi un kolēģi varēja redzēt lielāka mēroga izmaiņas, kas iepriekš varēja būt nepamanītas. Viņu darbā aizraujošākais ir tas, ka tas parāda neparedzētu neironu dinamismu, saka Džošs Saness, Hārvardas universitātes neirozinātnieks, kura laboratorija izstrādāja pētījumā izmantotās peles.

Turklāt Nedivi komanda atklāja, ka šīs izmaiņas tiek pakļautas tikai noteikta veida neironam. Iepriekšējie pētījumi bija vērsti uz ierosinošiem neironiem, kas sūta elektriskos signālus, kas izraisa citu neironu aizdegšanos. No otras puses, inhibējošie neironi izdala ķīmiskas vielas, kas neļauj citiem neironiem šaut. Tieši šie neironi var paplašināt un ievilkt jaunas projekcijas. Inhibējošie neironi smadzenēs ir mazāk izplatīti nekā to ierosinošie brālēni un ir mazāk pētīti.

Izaugsmes faktori

Pirmie Nedivi eksperimenti bija vērsti uz pelēm, kas dzīvo standarta laboratorijas dzīvi, bet tagad, kad viņa un viņas komanda ir definējuši normālu pieaugušo nervu plastiskuma daudzumu, viņi var pārbaudīt, kā dažādi vides vai ģenētiskie faktori ietekmē smadzeņu augšanu. Piemēram, iepriekšējie pētījumi parādīja, ka jauniem grauzējiem rotaļlietu piešķiršana vai to audzēšana daudzveidīgā ainavā veicina jaunu smadzeņu šūnu rašanos. Divu fotonu attēlveidošana ļaus pētniekiem izpētīt, kā dzīvošana sarežģītā vidē ietekmē smadzeņu nervu organizāciju. Lī nesen ir sācis pētīt, kā redzes trūkums ietekmē nervu plastiskumu redzes garozā. Šie projekti palīdzēs pētniekiem noskaidrot, vai dažādas vides liek dzīvnieku neironiem augt ātrāk vai biežāk pārkārtoties, un vai šīs izmaiņas galu galā noved pie uzvedības atšķirībām.

Tikmēr Nedivi saka, ka viņu pārpludina lūgumi no zinātniekiem, kuri pēta tādas slimības kā Alcheimera slimība un šizofrēnija. Tiklīdz mēs raksturojam problēmu ar katru atšķirīgo slimību — varbūt palielinās mazāk prognozes vai tiek ietekmēts tikai noteikta veida neirons — tad mēs varam pielāgot ārstēšanu šai problēmai, viņa saka. Mēs varētu arī izmantot šo tehnoloģiju kā platformu, lai pārbaudītu terapiju.

Protams, katram eksperimentam pie mikroskopa būs nepieciešami mēneši. Katra neirona attēlošana prasa stundas, un dienas, lai no divdimensiju attēliem izveidotu trīsdimensiju modeli. Turklāt zinātniekiem būs rūpīgi jāsalīdzina daudzu dzīvnieku neironi, lai saprastu atšķirības starp slimo šūnu un veselo šūnu uzvedību. Diemžēl laika Nedivi pašlaik nav; laboratorija izmanto pielāgotu mikroskopu So laboratorijā. Reizi nedēļā viņas studenti savas peles ievieto kastē un aizved uz laboratoriju, attēlojot tik daudz neironu, cik laiks atļauj. Drīz Nedivi cer iegūt 500 000 USD, kas nepieciešami instrumenta uzstādīšanai savā laboratorijā, kas ļautu viņas pētniekiem neierobežotu laiku vērot smadzeņu darbību.

paslēpties