Как устроена память? Каковы причины интереса нейробиологов к трихоплаксам — крошечным животным, являющимся живыми свидетельствами прошлого? Почему наш мозг не способен в полной мере использовать свой потенциал одновременно? Как менялась нервная система живых организмов в ходе эволюции? Ответы на эти и другие вопросы получили участники студенческой экскурсии, организованной «Научной Россией» 10 октября в Институте высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН.
Эволюционная нейробиология и «кухня» памяти
Институт имени В.В. Виноградова и НФ РАН являются ведущими центрами науки в области физиологии человека и животных. На сегодняшний день в них функционирует 17 лабораторий. Одна из них специализируется на клеточной нейробиологии обучения. Ученые этой лаборатории изучают основополагающие механизмы памяти и поведения, исследуя их на клеточном и молекулярном уровнях. Гости института побывали в этой лаборатории в ходе экскурсии, организованной нашим порталом.
В числе задач, решаемых исследователями лаборатории, находится изучение эволюции нервной системы, являющейся неотъемлемой частью живых существ. Данное направление является относительно новым, однако имеет большое значение.
«Моя область исследований – эволюционная нейробиология. В настоящее время исследования мозга сталкиваются со значительной трудностью, поскольку он представляет собой сложную систему, состоящую из огромного количества нейронов и глиальных клеток. Основная задача заключается в интеграции всех имеющихся знаний о мозге, при этом необходимо учитывать не только физиологические аспекты и оценку поведенческих реакций, но и то, как эти процессы реализуются на клеточном уровне и каким образом связаны с работой молекулярно-генетического аппарата. Это позволит ответить на вопросы, представляющие большой интерес для ученых: как функционирует наш мозг, что такое память и, самое главное, что такое сознание? Без детального изучения работы нервной системы на клеточном и молекулярном уровнях мы не сможем получить на них ответы. Именно для решения этих задач появилось многообещающее направление – эволюционная нейробиология. Оно нацелено на то, чтобы понять, как развивался наш мозг в процессе эволюции, поскольку он не возник мгновенно. Эволюционные этапы, в течение которых формировались различные структуры мозга, происходили постепенно. Чтобы понять, как работает наш мозг, необходимо определить, для чего были созданы его отдельные структурные элементы, — пояснила научный сотрудник лаборатории клеточной нейробиологии обучения ИВНД и НФ РАН кандидат биологических наук Дарья Юрьевна Романова.
Студентам была представлена лекция от исследователя, в которой она объяснила, что такое память, какие эволюционные выгоды она предоставляет и как устроены ее основные процессы.
«В процессе эволюции память выступает как механизм сохранения ресурсов. Это справедливо как для человека, так и для животных. Например, чтобы находить места с обильной пищей, животное должно запоминать, где оно обнаружило более сочную траву. Другой пример – уклонение от опасности. Наша реакция на угрозу имеет ярко выраженный негативный оттенок, что позволяет ей наиболее прочно закрепиться в памяти. В дальнейшем это должно помочь нам избегать определенных действий, людей, ситуаций – предвидеть и не повторять опыт столкновения с опасностью», — сказала Д.Ю. Романова.
С эволюционной точки зрения, способность к запоминанию позволяет нервным клеткам более экономно использовать энергию. Это особенно значимо, поскольку передача каждого сигнала между нейронами требует существенных затрат энергии, причем 70% этой энергии нейроны расходуют на восстановление после нервного импульса. Именно это объясняет распространенное заблуждение о том, что мозг человека не использует все свои возможности. После передачи сигнала нервные клетки временно прекращают участие в проведении импульсов, и их функции переходят к другим нейронам. Таким образом, с точки зрения энергопотребления, наш мозг не способен задействовать все свои ресурсы одновременно, поскольку часть его нейронов постоянно находится в состоянии «отдыха».
На биохимическом уровне процесс формирования воспоминаний и передача информации между нервными клетками представляют собой сложный механизм, подобный конструктору, состоящему из множества компонентов. Дарья Юрьевна познакомила гостей института с некоторыми из этих «элементов». Исследовательница рассказала о глутамате – одной из ключевых молекул, задействованных в передаче нервного импульса. Примечательно, что гамма-аминомасляная кислота, производное глутамата, имеет отношение к иммунной системе. Существуют основания полагать, что именно поэтому люди чаще болеют в условиях стресса. В настоящее время ученые стремятся получить экспериментальное подтверждение этой связи.
Липидные рафты, представляющие собой уникальные клеточные и молекулярные структуры, являются важным элементом памяти. Эти особые образования, присутствующие в мембранах нервных клеток, играют ключевую роль в передаче нервных импульсов между нейронами. Рецепторы, отвечающие за захват молекул глутамата, сконцентрированы именно в липидных рафтах, что запускает последовательность химических процессов, обеспечивающих передачу сигнала между клетками.
«Ранее полагалось, что функционирование мозга обеспечивается исключительно ядром нервной клетки и активностью отдельных генов. Однако выяснилось, что в этих процессах участвуют не только гены, но и липиды, которые могут играть ключевую роль в качестве важного структурного компонента мембран нейронов», — подчеркнула Д.Ю. Романова.
Глутаматные рецепторы демонстрируют значительное усложнение нервной системы в ходе эволюции. У одноклеточных организмов и растений, таких как археи и золотистые водоросли, они формируются из всего двух структурных компонентов и обеспечивают ориентацию в пространстве посредством хеморецепции – способности воспринимать химические сигналы. У многоклеточных организмов, например у гребневика, эти же рецепторы включают уже три домена и задействованы в передаче информации. Более того, у организмов, считающихся более развитыми (например, у крыс), к обычной трехдоменной структуре присоединяются дополнительные фрагменты, которые, по мнению исследователей, связаны с иммунными реакциями.
«В процессе эволюции прослеживается тенденция к усложнению. Первоначально организмы обладали примитивными реакциями и функциями, однако с повышением сложности организма возрастает и сложность рецепторов. По мнению экспертов, это можно рассматривать как общую черту эволюционного развития Д.Ю. Романова. — Гены не удаляются, поскольку, принимая во внимание энергоэффективность, гораздо эффективнее изменить функцию гена или добавить к нему дополнительную, нежели полностью исключить его из генома».
В гостях у трихоплаксов
Трихоплаксы — необыкновенные существа, предоставляющие ученым возможность заглянуть вглубь эволюции нервной системы. Эти многоклеточные организмы, напоминающие крошечные плоские капельки, существуют на Земле не менее полумиллиарда лет. Отсутствие у трихоплаксов нервной системы не препятствует проявлению сложного поведения, поскольку межклеточная коммуникация осуществляется посредством сигнальных молекул. Исследование этих процессов позволяет ученым более детально разобраться в механизмах передачи информации на химическом уровне, что способствует расширению знаний об эволюции и функционировании нервной системы всех живых организмов, в том числе и человека.
«Мы полагаем, что физиология трихоплакса настолько гармонична, что он не развил нервную систему, поскольку она ему не требовалась. <…> Это животное стало для науки важным инструментом для изучения происхождения мозга и нейронов, а также принципов их функционирования», — поделилась Д.Ю. Романова. Ее команда является самой крупной научной группой в России (и одной из немногих в мире), которая занимается изучением трихоплаксов. Научная работа осуществляется в рамках проекта Российского научного фонда, посвященного геномным и клеточным механизмам, определяющим поведение беспозвоночных животных».
В настоящее время исследования, проводимые с использованием трихоплаксов, вносят вклад в развитие фундаментальной науки, однако в будущем они способны принести значительную практическую выгоду. Например, изучение рецепторов древних животных может способствовать открытию новых обезболивающих препаратов. В отдалённой перспективе глубокое понимание биохимических механизмов передачи информации может даже привести к созданию искусственного мозга.
Дарья Юрьевна поделилась информацией о необычном поведении трихоплаксов в различных условиях, зафиксированном ее научной командой. Эти животные демонстрируют различную реакцию на свет: при интенсивном освещении они либо сворачиваются, либо стараются избежать раздражающего фактора, а в условиях низкой освещенности, напротив, стремятся приблизиться к источнику света. В случае получения повреждения трихоплакс не только быстро сжимается, чтобы защитить область ранения, но и довольно оперативно удаляется от предмета, нанесящего травму. На механическое воздействие, например, наклон воды, животное активно сворачивается. Ученые из Стэнфордского университета провели любопытный эксперимент, показавший, что трихоплаксы обладают высокой чувствительностью к температуре: они всегда мигрируют из более холодных зон в более теплые даже при небольшом изменении температуры. Еще один пример сложного поведения трихоплаксов — их способность хорошо ориентироваться в пространстве.
«Из десяти типов клеток трихоплаксов выделяются гравитационные сенсоры. Они позволяют особям, при переносе микропипеткой в другую чашку Петри, ориентироваться и фиксироваться нижней стороной на субстрате, независимо от угла переноса: будь то 90°, 45° или любой другой», — отметила Д.Ю. Романова.
Не менее интересны и другие сложные реакции трихоплаксов. Так, при избытке корма эти организмы не разделяются после деления, а сохраняют групповую структуру, поскольку совместная деятельность позволяет им эффективнее использовать питательные ресурсы. Для защиты от «активных» внутренних бактерий животное помещает их в специальную оболочку и удаляет из тела. Более детальную информацию об этом можно найти в ранее опубликованных новости «Научной России».
В рамках студенческой экскурсии участники посетили место, где хранятся уникальные образцы. Эти животные живут в чашках Петри, помещенные в искусственную морскую воду и находящиеся на питательном субстрате. Трихоплаксы очень требовательны к условиям содержания, поэтому в климатостате, где размещены культуры, постоянно поддерживаются оптимальные параметры: дневной и ночной режимы освещения, температура около 23°C и высокая влажность.
«В настоящее время в нашем распоряжении приблизительно 50 чашек, несколько линий. В частности, у нас имеется стандартная линия — животные, культивируемые на зеленых водорослях. Также имеется культура, обработанная ампициллином — трихоплаксы, которым добавляется антибиотик ампициллин, который подавляет рост внутриклеточных паразитов. Благодаря использованию антибиотиков, эта линия характеризуется иной культуральной динамикой: такие животные растут медленнее в численности, но при этом более устойчивы к воздействию окружающей среды. Когда в чашке Петри накапливается значительное количество вредных веществ, животные стандартной линии начинают погибать, тогда как ампициллиновая линия может существовать на несколько месяцев дольше. Мы также культивируем рисовую линию: вместо водорослей, полностью покрывающих дно, в чашках этих особей располагается несколько рисовых зерен, выделяющих в воду питательные вещества. У этой линии также наблюдается заметно иная культуральная динамика: такие особи размножаются значительно быстрее; когда в стандартной чашке число животных достигает примерно 80–100, в рисовой может находиться уже 200–300 особей. Однако этот прирост быстро прекращается, и уже примерно через неделю-две количество трихоплаксов начинает уменьшаться и снижается до 20–30. После этого мы пересаживаем животных в новую чашку и вновь наблюдаем быстрый рост. Насколько нам известно, животные стандартной, рисовой и ампициллиновой линий несколько отличаются друг от друга, поэтому для некоторых исследований можно использовать особей только одной линии или изучать представителей разных культур с точки зрения их различий Александр Алексеевич Повернов. Специалисты также проводят исследования, работая с культурами клеток, полученными из тканей трихоплаксов.
Размеры трихоплаксов значительно различаются: от 30 микрометров до 2 миллиметров. Студентам представилась возможность рассмотреть их при 50-кратном увеличении с помощью мощного микроскопа, и некоторым даже удалось наблюдать процесс вегетативного деления одного из экземпляров.
Как рассказала Д.Ю. Романова, для облегчения понимания устройства этих крошечных существ, исследователи использовали метод расширительной микроскопии. Благодаря специальной обработке, образец увеличивается в объеме, что позволяет более детально изучить его микроскопические внутренние компоненты. Этот метод уже применялся в науке, однако тела трихоплаксов были увеличены таким способом впервые: дополнительную информацию об этом можно найти в ранее опубликованной статье на нашем портале.
От генома к поведению
В завершение экскурсии студенты получили информацию о генетических исследованиях трихоплаксов, проводимых в институте, и ознакомились с секвенатором, используемым учеными для анализа. Этот современный аппарат, в который помещаются образцы, отличается компактными размерами, а за выполнение сложных расчетов отвечает подключенный к системе мощный компьютер. Одной из особенностей секвенатора, используемого в институте, является способность анализировать протяженные фрагменты ДНК, что обеспечивает получение точных результатов.
Как рассказала Д.Ю. Романова, для проведения секвенирования из проб, взятых в стерильных условиях, создается специальная суспензия. После этого она распределяется по чипам, которые затем помещаются в секвенатор. Анализ генома занимает 72 часа.
«Год назад мы завершили секвенирование генома наших трихоплаксов, в результате чего было получено приблизительно 90 гигабайт информации (один гигабаза — это миллиард пар нуклеотидов — прим. ред.) . Это весьма позитивный итог. «Одна из работ, над которыми мы трудимся, посвящена подробному анализу генома и описанию хромосом», — пояснила Д.Ю. Романова.
На расшифровку генома трихоплакса потребовалось около двух месяцев. Впервые удалось добиться столь высокой степени точности при этом.
Мутации, как и у всех живых организмов, накапливаются в геноме трихоплаксов с течением времени. В связи с этим, ученые намерены повторить генетический анализ этих животных через пять и десять лет, чтобы выявить потенциальные изменения. В ближайшее время на секвенаторе планируется провести иные исследования, направленные на изучение транскриптомной активности трихоплаксов.
«Нас интересует изучение работы генов наших животных при различных условиях. Эта задача также будет связана с поведенческим анализом. Мы планируем изучить, как проявляется поведение трихоплаксов и какие процессы этому предшествуют на генетическом уровне», — пояснила Д.Ю. Романова.
Данный материал создан при содействии Министерства науки и высшего образования Российской Федерации