Межнейронные контакты можно перерисовать с абсолютной точностью

Наш мозг состоит из 100 млрд нейронов, соединённых друг с другом во множество сетей, сложность которых невозможно даже представить. И, однако ж, нейробиологи снова и снова пытаются разобраться в этих нейронных сетях, потому что без карты межнейронных соединений невозможно в деталях понять, как работает мозг. Успехи здесь впечатляют — вон, мозг даже сумели сделать прозрачным, чтобы понять, как и что в нём соединено. Но и на фоне таких прорывов работа исследователей из Массачусетского технологического института (США) выглядит выдающейся: им удалось полностью реконструировать во фрагменте сетчатки мыши все нейронные соединения. Сделать это с нервной системой млекопитающих до сих пор никому не удавалось.

Нейроны сетчатки делятся на несколько типов: фоторецепторы, амакриновые клетки, ганглионарные клетки и т. д. Эти типы делятся внутри себя ещё на подтипы, так что в итоге сетчатка оказывается состоящей из довольно большого числа разновидностей нейронов, которые отличаются по форме, функциям и способам взаимодействия. По приблизительным оценкам, в сетчатке от 50 до 100 типов нервных клеток, и бóльшая их часть остаётся малоизученной.

В своей работе Себастьян Сын и его коллеги экспериментировали не со всей сетчаткой, а с так называемым внутренним сплетениевидным слоем. Это один из десяти слоёв сетчатки, который служит информационным посредником между фоторецепторами и ганглионарными клетками, отправляющими зрительные импульсы непосредственно в мозг. При этом исследователи не брали весь слой, а лишь небольшой кусочек 117 на 80 мкм. Сначала они вместе с коллегами из Института медицинских исследований Общества Макса Планка (Германия) сделали с помощью специального сканирующего микроскопа 3D-карту кусочка сетчатки.

Следующий этап был уже не столь технологичным: учёные наняли 225 студентов, чтобы те в получившейся сверхподробной трёхмерной карте нейронного слоя проследили за переплетениями нейронных отростков. Можно сказать, студентам дали задачу, которая не снилась никаким сказочным героям с их подсчётами маковых семян в мешке и тому подобным: работа с нейронами заняла больше двух лет. Однако на этом этапе получалось, грубо говоря, просто переплетение линий, «скелет» нейронов без объёмов, свойственных настоящим клеткам. Чтобы нарастить на эти «скелеты» клеточное мясо, учёные использовали специальную программу, созданную как раз для этих целей.

Программная обработка позволила восстановить все межнейронные контакты, которые были упущены при перерисовке простых нейронных «скелетов». По словам исследователей, можно было бы, конечно, сразу проследить за всеми контактами, а не только за расположением отростков клеток, но тогда работа длилась бы в десять, а то и в сто раз дольше. Для сравнения: отчёт о предыдущем подобном исследовании был опубликован в 1986 году, когда учёные восстановили сеть из 302 нейронов нематоды Caenorhabditis elegans, и ушло на это… более 12 лет.

В схеме, которую в итоге получили для нейронов сетчатки, было 950 клеток, и бóльшую часть из них удалось опознать по характерным взаимодействиям с другими нейронами. Более того, получилось даже описать новый класс биполярных клеток, хотя что за функцию они выполняют, пока никто не знает.

Как легко заметить, слабое место метода — в колоссальной трудоёмкости: допустим, микроскопический кусочек ткани ещё можно расшифровать с помощью сетевого краудфандинга, но если дело дойдёт до более-менее видимой части мозга, то тут и всего населения Земли не хватит. Поэтому в следующей попытке учёные собираются совместить программу, создающую «тело» нейрона, и электронный микроскоп, который делает трёхмерный портрет образца, а на долю человека потом выпадает лишь проверка ошибок получившейся схемы (хотя и тут, по-видимому, без пары сотен добровольцев не обойтись).

Эта работа была опубликована в Natue, и одновременно с ней в том же журнале вышли ещё статьи на похожую тему. В одной из них исследователи из Института нейробиологии Общества Макса Планка (Германия) сообщают, что им удалось проследить за работой нейронов в мозге дрозофилы, задача которых замечать движение рядом с мухой. Учёные снабдили нейроны светящимися белками четырёх цветов (красным, зелёным, синим и жёлтым), которые реагировали на активность клетки. С помощью флюоресценции можно было понять, как движутся информационные потоки по нейронам и восстановить все соединения между клетками.

А ещё в одной статье специалисты из Медицинского института Говарда Хьюза описывают реконструкцию взаимосвязей между 379 зрительными нейронами в мозге дрозофилы. Это были те же нейроны, фиксирующие движение, о которых шла речь абзацем выше, и общее число синапсов между ними оказалось равно 8 637. Работа чрезвычайно напоминает ту, которая была сделана в Массачусетском технологическом институте, только здесь имели дело не с мышиной сетчаткой, а мозгом насекомого.

Подготовлено по материалам Общества Макса Планка, MIT News и Медицинского института Говарда Хьюза. Фото на заставке принадлежит Shutterstock.