Когда во время мыслительного процесса горит свет

Индивидуальные и двойные потенциалы действия можно регистрировать оптически с помощью генетического индикатора кальция, окрашивающего клетки мозга живой мыши. Изображение: Институт медицинских исследований Макса Планка

(PhysOrg.com) – Процессы мышления стали видимыми: международная группа ученых во главе с Мазахиром Хасаном из Института медицинских исследований Макса Планка в Гейдельберге преуспела в оптическом обнаружении индивидуальных потенциалов действия в мозгу живых животных. Ученые ввели флуоресцентные индикаторные белки в клетки мозга мышей через вирусные генные векторы: освещение флуоресцентных белков показывает, когда и какие нейроны взаимодействуют друг с другом.

Этот новый метод позволяет наблюдать за активностью мозга в течение многих месяцев и предоставляет новые способы выявления, например, раннего начала дисфункции при неврологических расстройствах, таких как болезни Альцгеймера и Паркинсона. Флуоресцентные белки также могут предоставить ученым информацию о том, как нормальные процессы старения влияют на связь нервных клеток. (Nature Methods, сентябрь 2008 г.)

Нервная клетка – главный центр обмена ценной информацией. Нос, глаза, уши и другие органы чувств воспринимают окружающую среду через различные антенны, известные как рецепторы. Затем многочисленные стимулы передаются нейронам. Вся эта информация собирается, обрабатывается и, наконец, передается в определенные центры мозга в этих узлах – мозг человека состоит из почти 100 миллиардов нервных клеток. Нервная клетка использует для этой цели специальный транспорт: потенциал действия, который кодирует информацию, что обеспечивает связь между нервными клетками.

Кальций как стартовый пистолет

Такой потенциал действия представляет собой электрическое возбуждение и возникает, когда наши нервные клетки получают информацию через стимул: напряжение на клеточной мембране нейрона изменяется, и различные ионные каналы открываются и закрываются очень специализированным образом. Незадолго до того, как нервная клетка пересылает информацию через стимул, ионы кальция вливаются в нервную клетку, выступая в качестве стартовой пушки для потока данных от одного нейрона к следующему.

В прошлом потенциал действия измерялся и визуализировался с помощью микроэлектродов. Однако этот метод позволял отслеживать только ограниченное количество ячеек, участвующих в процессе связи. Более того, с помощью этого метода ученые не смогли четко идентифицировать нейронную связь в течение более длительного периода времени или у свободно перемещающихся животных.

Желтые и синие флуоресцентные белки

Эту ситуацию можно изменить. В рамках интенсивного международного проекта сотрудничества Мазахир Хасан создал нервные клетки, которые высвобождают единичный потенциал действия, оптически видимый у мышей. Это означает, что общение целых групп нейронов можно наблюдать в течение длительного периода времени. Мазахир Хасан также привлек внимание в 2004 году, когда он впервые продемонстрировал, что флуоресцентные белки подходят для видимой активности мозга мышей (Hasan et al., 2004 PLoS Biology 2: e163).

Для этой новой недавней разработки Хасан использовал сенсорный белок под названием D3cpv, который был создан Эми Палмер в лаборатории Роджера Циена Калифорнийского университета в Сан-Диего в виде комплекса многочисленных взаимосвязанных белковых субъединиц. Две из этих субъединиц реагируют на связывание ионов кальция с комплексом: загорается желтый флуоресцентный белок (YFP) и светящаяся сила голубого флуоресцентного белка (CFP) снижается – совпадение, которое позже окажется решающим для успеха изучение.

Ученые Макса Планка ввели соответствующий генетический материал – то есть руководство по построению этого белкового комплекса – в генетический материал вирусов. Затем Хасан и его команда использовали эти вирусы как генетические "перевозить" для введения генетического материала в мозг мышей. Белковый комплекс на самом деле вырабатывался в нервных клетках "зараженный" мышей и функционирует там как индикатор кальция: если уровень кальция в клетке увеличивается – что имеет место при любом потенциале действия – D3cpv меняет форму, когда связывается с кальцием. В результате два флуоресцентных белка, CFP и YFP, приближаются друг к другу, и передача энергии между CFP и YFP изменяется.

"Чтобы наблюдать это изменение, мы используем двухфотонный микроскоп, разработанный Винфридом Денком", объясняет Хасан. Каждый индивидуальный потенциал действия, возникающий из-за раздражителя, становится непосредственно воспринимаемым в мозгу благодаря желтому освещению и одновременному снижению излучения синего света. Двухфотонный микроскоп очень точно определяет совпадение двух флуоресцентных сигналов и ясно показывает, какие нервные клетки общаются и обмениваются информацией друг с другом и когда.

Дамиан Уоллес и Джейсон Керр из Института биологической кибернетики Макса Планка в Тюбингене смогли подтвердить это открытие: целевые электрические записи нейрональной активности после срабатывания стимула показали, что изменение цвета фактически совпадает с возбуждением потенциалов действия. Метод Хасана проливает свет на то, какие нервные клетки будут взаимодействовать друг с другом и в какой период времени. Однако это применимо только в том случае, если нейроны возбуждают потенциалы действия с частотой менее одного герца.

Понимание сложных мыслительных процессов

Таким образом, исследователи смогли впервые продемонстрировать, что генетические индикаторы кальция обеспечивают оптическое доказательство восприятия сенсорной системы у высших организмов. "С помощью этого метода мы можем более подробно понять, как человеческий мозг регулирует сложные мыслительные процессы и, например, как он преобразует многочисленные сенсорные впечатления в долговременные воспоминания", говорит Хасан. В результате можно лучше понять, что происходит в результате старения нервных клеток – "поскольку теперь у нас есть способ наблюдать за нейронами в течение более длительных периодов времени," заключает Хасан. Более того, сенсорные белки могут оказаться очень полезными, помогая исследователям достичь лучшего понимания на клеточном уровне неврологических заболеваний, включая хорею Альцгеймера, Паркинсона и Хантингтона.

Публикации:

Дамиан Дж. Уоллес, Стефан Мейер цум Альтен Боргло, Симона Астори, Инь Ян, Мелани Баузен, Себастьян Кюглер, Эми И. Палмер, Роджер И Циен, Рольф Шпренгель, Джейсон Н. Д. Керр, Винфрид Денк & Мазахир Т Хасан
Обнаружение одиночных спайков in vitro и in vivo с помощью генетического датчика Ca2 +
Методы природы, Том.5 Нет. 9 сентября 2008 г., 797

Мазахир Т Хасан, Райнер В. Фридрих, Томас Эйлер, Мэтью Э. Ларкум, Гюнтер Гизе, Маттиас Бот, Йенс Дуэбел, Джек Уотерс, Герман Бухард, Оливер Грисбек, Роджер И Циен, Такехару Нагаи, Ацуши Мияваки, Винфрид Денк
Функциональные флуоресцентные индикаторные белки Ca2 + у трансгенных мышей под контролем TET
PLOS Biology, Vol.2 Нет.6 июня 2004, e163

Предоставлено Институтом медицинских исследований Макса Планка

Бурятия Онлайн