Среди множества замечательных выступлений на недавнем ежегодном собрании Общества нейробиологии были три специальные лекции, которые читались последовательно по вечерам. В первом описывалось, как мы можем преобразовать известную принципиальную схему червя и ряд поддерживаемых им нейронных активностей в его игру в 2D-мире. Второй следовал за тем, как мы могли бы проследить поток информации из большего трехмерного мира через более сложный театр мозга мухи и обратно. Третьей и самой захватывающей историей в трилогии был рассказ Джеффа Лихтмана об использовании своей новой технологии, известной как Brainbow II, для превращения диких синаптических джунглей в прирученный и полностью систематизированный дендрарий, который мы можем просматривать на досуге.
Фильм о червяке размером с миллиметр, который учится распознавать мини-лариат и вылезать из него, не может быть выбором критиков. Однако, учитывая, что критические нейроны и синапсы, участвующие в этом конкретном поведении, теперь могут быть генетически изолированы и подробно изучены, многие нейробиологи довольно взволнованы. У нас до сих пор нет карт электрической активности всего мозга для 302 нейронов (и 50 глиальных клеток) этого существа, или даже кальциевых клипов с высоким разрешением этих клеток, но это может не потребоваться. Многие нейроны не утруждают себя использованием дискретных спайков, когда они посылают сигналы только на короткие расстояния, а иногда даже не заботятся о создании аксонов.
В этом случае, если мы хотим понять, как червь приобретает уловку бегства лариата, возможно, вместо этого мы могли бы просто наблюдать за его митохондриями, пока их нейроны-хозяева шевелятся в кажущейся тревоге. Действительно, если бы мы наблюдали только митохондрии, большая часть того, что мы могли бы узнать о данном нейроне с помощью целого ряда других технологий визуализации, уже содержится в их динамике. Вероятно, можно было бы сделать вывод не только о мембранных очертаниях нейрона, наблюдая за пределами митохондриальных экскурсий, но также и об изменениях формы отдельных нейритов. Далее в этом ключе мы также теперь понимаем, что митохондрии не просто реагируют на потоки кальция, упомянутые выше, они фактически являются органеллами, контролирующими кальций.
Одна вещь, которую мы узнали из Brainbow I, которая была дополнительно подчеркнута расширенной палитрой Brainbow II, заключается в том, что маркировать все может быть так же плохо, как и ничего не маркировать. Частью набора функций Brainbow II является больший контроль за выборочной маркировкой синапсов из различных типов интернейронов, а также за процессами глиальных клеток. Чтобы воспользоваться преимуществами технологии Brainbow II и создать детальные компьютерно-реконструированные изображения этих клеток, группе Лихтмана пришлось создать высокоскоростные инструменты для срезания и обработки мозга, а также электронные микроскопы высокой мощности для создания изображений.
Лихтман сообщил, что вместе с Zeiss в настоящее время разрабатывается новый высокопроизводительный 61-лучевой сканирующий электронный микроскоп. Это массивное устройство не похоже на то, что можно просто вставить в лифт и отправить в лабораторию на четвертом этаже. Я спросил @zeiss_optics о ценах и наличии этого гиганта, а также о насадке для фокусированного ионного пучка, и они сказали, что предлагают хорошую скидку при заказе двух или более. Тем не менее, результат многих месяцев защищенных усилий пока что дал структуру лишь небольшого кусочка мозга.
Но что это за структура. Главным достижением, продемонстрированным на съезде, стала цилиндрическая ЭМ-реконструкция части мозга мыши размером меньше песчинки. В центре этого объема находился проксимальный стержень апикального дендрита пирамидальной клетки, окруженный всевозможными синаптическими элементами. Если вы когда-либо были сбиты с толку знаменитым 4-цветным картированием, то трассировка синапсов в стиле Brainbow может быть не для вас. В этом томе около 680 нервных волокон, которые можно разрешить, вместе с 774 синапсами. Ключевой вывод Лихтмана состоит в том, что сам по себе простой контакт не вызывает синапсов. Отслеживая идеально разрешенные синаптические пузырьки, он смог показать, что из каждых десяти возможных синаптических вариантов, возможно, только один или два соседних профиля оказались действительными синапсами.
Последний вывод, который сделал Лихтман, заключается в том, что теперь, когда можно извлечь полную топологию мембраны, включая органеллы, произвольной области мозга, ранее невообразимые вопросы можно было задавать и отвечать на них одним щелчком мыши. Он упомянул тот же вопрос, который я поднял выше, а именно: как распределены митохондрии и что они делают?? Хотя это по большей части вопрос прямой видеомикроскопии, многое можно узнать о состоянии данного синапса непосредственно перед его фиксацией его митохондриями. Точно так же можно сделать много выводов о следующем правдоподобном состоянии рассматриваемой нейронной геометрии, при условии, что кто-то знает, что искать.
Одно открытие, упомянутое здесь Лихтманом, заключалось в том, что аксоны имеют относительно небольшие митохондрии по сравнению с митохондриями в теле и дендритах. Это может показаться бесплодным открытием, если рассматривать его отдельно. Но в тот же день на конференции состоялась захватывающая беседа о том, как определенные митохондрии экстравазируются или вытесняются аксонами в зрительной системе. Затем они принимаются астроцитами для обработки – довольно неожиданное открытие. Известно, что в некоторых органах митохондрии могут обмениваться между клетками, что очень выгодно для клетки-реципиента, хотя для нейронов это первое сообщение о таком явлении. Позже я просмотрел литературу, и это разделение митохондрий по размеру в полярных элементах нейронов на самом деле было известно в течение некоторого времени, что привело к предположению, какими еще потенциальными открытиями может обладать группа Лихтмана.
То, что представил Лихтман, на самом деле не коннектом или "список соединений" соединений печатной платы, скажем,. На сегодняшний день никто даже не применил разумное преобразование, чтобы получить коннектом из заданной топологии трехмерной мембранной сетки, или даже того, что было бы, если бы она у нас была. Между тем попытки смоделировать деления, слияния и общие хаотические движения митохондрий в зависимости от их генетического состава и положения, которое они занимают внутри клетки, уже начались. Если генетически сомнительные митохондрии с истекшим мембранным потенциалом имеют тенденцию к деградации путем слияния с лизосомами вблизи ядра, мы можем спросить, можно ли их обвинить в том, что они откачивают аксоны и перемещаются как можно дальше – даже полностью из клетки?
Ясно, что антропоморфизация простых подвижных мешков ДНК и ферментов – не единственный инструмент, который у нас есть для взлома мозга. Но поскольку мозг – это всего лишь сложная система микроскопических трубок, имеет смысл присмотреться к существам, которые их строят и поддерживают. В этом свете наука о коннектомах становится наукой о митохондриях, возможно, о митохондриомах. Насколько мы можем лучше понять коллективную деятельность мозга благодаря воспоминанию о нейронах как о некогда одичавших протистах, теперь заключенных в череп, наше понимание нейронов улучшается за счет вспоминания их митохондрий как некогда свободных бактерий, которые теперь в значительной степени заключены в них.