Исследовательская группа из Вустерского политехнического института (WPI) и Университета Рокфеллера в Нью-Йорке разработала новую систему для отображения активности мозга у множества червей в состоянии бодрствования и без ограничений. Технология, которая позволяет изучать генетику и нейронные схемы, связанные с поведением животных, также может использоваться в качестве высокопроизводительного инструмента скрининга для разработки лекарств, направленных на аутизм, тревогу, депрессию, шизофрению и другие расстройства мозга.Команда подробно описывает свою технологию и первые результаты в статье «Высокопроизводительная визуализация нейрональной активности у Caenorhabditis elegans», опубликованной перед печатью в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Одна из наших основных целей — понять нейронные сигналы, которые управляют поведением — как сенсорная информация обрабатывается через сеть нейронов, ведущих к конкретным решениям и ответам», — сказал Дирк Альбрехт, доктор философии, доцент кафедры биомедицинской инженерии в WPI и старший. Автор статьи. Альбрехт возглавлял исследовательскую группу как в WPI, так и в Рокфеллер, где он ранее работал постдокторантом в лаборатории Кори Баргманн, доктора философии, исследователя Медицинского института Говарда Хьюза и соавтора новой статьи.
Для изучения нейрональной активности лаборатория Альбрехта использует крошечного червя Caenorhabditis elegans (C. elegans), нематоду, обитающую во многих средах по всему миру. Типичная взрослая особь C. elegans имеет длину всего 1 миллиметр и насчитывает 969 клеток, из которых 302 — нейроны. Несмотря на свой небольшой размер, червь представляет собой сложный организм, способный делать все, что должны делать животные, чтобы выжить.
Он может двигаться, есть, спариваться и обрабатывать сигналы окружающей среды, которые помогают ему добывать пищу или реагировать на угрозы. В качестве бонуса для исследователей C.elegans прозрачен. Используя различные технологии визуализации, в том числе оптические микроскопы, можно буквально заглянуть внутрь червя и наблюдать физиологические процессы в режиме реального времени.
«Лабораториями червей» по всему миру были проведены многочисленные исследования различных неврологических процессов у C. elegans. Обычно это делается с использованием одного червя за раз, при этом тело животного фиксируется на предметном стекле. В своей новой статье команда Альбрехта подробно описывает, как они визуализировали, регистрировали и анализировали определенные нейроны у нескольких животных, когда они пробирались вокруг специально разработанного микрожидкостного массива, называемого ареной, где они подвергались благоприятным или враждебным сенсорным сигналам.В частности, команда разработала штамм червей с нейронами возле головы, которые светятся, когда они ощущают запахи пищи.
В экспериментах с участием до 23 червей одновременно команда Альбрехта наполняла арену импульсами привлекательных или отталкивающих запахов и наблюдала за реакцией червей. В целом черви двигались в сторону положительных запахов и от отрицательных запахов, но поведение не всегда следовало этой схеме. «Мы смогли показать, что сенсорные нейроны одинаково реагировали на запахи у всех животных, но их поведенческие реакции значительно различались», — сказал Альбрехт. «Эти животные генетически идентичны, и они выросли вместе в одной среде, так откуда же их выбор?»В дополнение к наблюдению за тем, как головные нейроны загораются, когда они улавливают запахи, новая система может отслеживать передачу сигналов через «интернейроны». Это пути, которые соединяют внешние датчики с остальной частью сети («мозгом червя») и посылают сигналы мышечным клеткам, которые регулируют движение червя на основе сигналов.
Считается, что многочисленные расстройства мозга у людей возникают из-за сбоя в работе нейронных сетей. В некоторых случаях неисправность — это резкая чрезмерная реакция на рутинный стимул, а в других — отсутствие адекватных реакций на важные сигналы. Поскольку C. elegans и люди имеют многие из одних и тех же генов, обнаружение генетических причин различных нейронных реакций у червей может быть применимо к физиологии человека. Экспериментальные соединения, предназначенные для модулирования действия нервных клеток и нейронных сетей, могут быть сначала протестированы на червях с использованием новой системы Альбрехта.
Соединения будут вводиться в арену червей вместе с другими раздражителями, и реакция нервной системы червей может быть визуализирована и проанализирована.«Основа нашей работы — объединить биомедицинскую инженерию и нейробиологию, чтобы ответить на некоторые из этих фундаментальных вопросов и, надеюсь, получить понимание, которое будет полезно для понимания и, в конечном итоге, лечения заболеваний человека», — сказал Альбрехт.