Учёные создали белок, способный регистрировать входящие химические сигналы клеток мозга. Эти тихие, как шёпот, входящие сообщения представляют собой высвобождение нейромедиатора глутамата, который играет важнейшую роль в том, как клетки мозга взаимодействуют друг с другом, но до сих пор его было крайне сложно зафиксировать.
Почему это важно?
- Понимание кода мозга. Теперь можно изучать, как нейроны вычисляют — как они принимают тысячи входных сигналов и на их основе генерируют выходной сигнал, который лежит в основе принятия решений, мышления и памяти.
- Новые возможности для исследования заболеваний. Нарушение передачи сигналов глутамата связано с болезнью Альцгеймера, шизофренией, аутизмом, эпилепсией и другими заболеваниями. Эти датчики помогут выявить первопричины этих состояний.
- Более продуманная разработка лекарств. Фармацевтические компании могут тестировать, как новые методы лечения влияют на реальную синаптическую активность, что ускоряет поиск эффективных препаратов.
Специальный белок, созданный исследователями из Института Аллена и Исследовательского кампуса Джанелия при HHMI, представляет собой молекулярный «индикатор глутамата» под названием iGluSnFR4. Он достаточно чувствителен, чтобы улавливать самые слабые входящие сигналы между нейронами в мозге, и предлагает новый способ расшифровки и интерпретации сложного каскада электрической активности, лежащего в основе обучения, памяти и эмоций. iGluSnFR4 поможет расшифровать скрытый язык мозга и углубить понимание того, как работает его сложная система.
Это открытие позволяет наблюдать за взаимодействием нейронов в мозге в режиме реального времени. Результаты исследования, опубликованные в Nature Methods, могут изменить подход к нейробиологическим исследованиям в части измерения и анализа нейронной активности.
Чтобы понять важность этого открытия, нужно разобраться в том, как работает мозг: миллиарды нейронов «общаются» друг с другом, посылая электрические импульсы по своим разветвлённым аксонам. Когда электрические сигналы достигают конца аксонов, они не могут напрямую перейти к следующей клетке мозга, которая называется синапсом. Вместо этого они запускают высвобождение химических мессенджеров, называемых нейромедиаторами (наиболее распространённым и важным для памяти, обучения и эмоций является глутамат), в синаптическую щель, что приводит к последовательной активации следующей клетки мозга.
Это похоже на ряд падающих костяшек домино, но значительно сложнее: каждый нейрон получает входные сигналы от тысяч других нейронов, и срабатывание определенных паттернов и комбинаций входных нейронов приводит к срабатыванию следующего (принимающего) нейрона. Благодаря новому открытию ученые смогут идентифицировать критические паттерны и комбинации входной активности нейронов, которые вызывают срабатывание следующих нейронов. До сих пор обнаружить эти поступающие сигналы в живой ткани мозга было практически невозможно. Старые технологии были либо слишком медленными, либо недостаточно чувствительными, чтобы фиксировать активность на уровне отдельных синапсов. Теперь исследователи могут слышать весь разговор, а не его фрагменты.
«Это как читать книгу, в которой все слова перемешаны, и не понимать, в каком порядке они расположены, — сказал Каспар Подгорски, ведущий автор исследования и старший научный сотрудник Института Аллена. — Мне кажется, что мы добавляем связи между этими нейронами, и благодаря этому понимаем порядок слов на страницах и их значение».
До появления белковых датчиков исследователи могли регистрировать только исходящие сигналы от клеток мозга, оставляя без внимания половину уравнения коммуникации (входные данные). До недавнего времени входящие сигналы были слишком слабыми и быстрыми, чтобы их можно было зафиксировать.
«У нейробиологов есть эффективные способы измерения структурных связей между нейронами, и в ходе отдельных экспериментов мы можем измерить, что говорят некоторые нейроны в мозге, но нам пока не удавалось объединить эти два вида информации. Трудно определить, что именно одни нейроны передают другим, — сказал Подгорски. — Мы изобрели способ измерения информации, поступающей в нейроны из разных источников, а это критически важная часть нейробиологических исследований».
Это открытие устраняет существенный барьер в современной нейробиологии: невозможность чётко отслеживать и понимать, как клетки мозга получают информацию. Благодаря новому мощному инструменту вскоре могут быть раскрыты некоторые из самых волнующих тайн мозга.
[Фото: Allen Institute / Kaspar Podgorski]