ElektrofiziológiaKiemeltIdegtudomány
·2023. november 3
Összegzés: A kutatók az egyszerű férget, a Caenorhabditis eleganst használták, hogy mélyreható betekintést nyerjenek abba, hogyan áramlik a neurális információ az agyban.
A fejlett technikák, például az optogenetika segítségével vizuálisan, valós időben követték nyomon a jeláramlást, neuronról neuronra, hogy feltérképezzék annak útvonalait. Ellentétben a féreg összekötő térképének előrejelzéseivel, kritikus „vezeték nélküli jeleket” találtak, amelyek molekuláris felszabadulással jártak, amelyek befolyásolják az idegi dinamikát.
Ez az úttörő kutatás ugródeszkát kínál az összetettebb agy megértéséhez.
Legfontosabb tényeket:
- A csapat a C. eleganst, egy 302 neuronból álló átlátszó férget tanulmányozta, így ideális modell az agyi jeláramlás feltérképezéséhez.
- Az úttörő optogenetika révén valós idejű jelátvitelt tettek láthatóvá, és neuropeptidek segítségével váratlan „vezeték nélküli jeleket” tártak fel.
- Eredményeik megkérdőjelezik a féreg konnektorán alapuló meglévő előrejelzéseket, feltárva a molekuláris részleteket, amelyek elengedhetetlenek az idegi válasz megértéséhez.
Forrás: Princeton
Tényleg tudjuk, hogyan működik az agy?
Az elmúlt évtizedekben a tudósok nagy lépéseket tettek ennek a fantasztikusan összetett szervnek a megértésében. A tudósok ma már nagyon sokat tudnak az agy sejt neurobiológiájáról, és sokat tanultak az agy idegi kapcsolatairól és az ezeket a kapcsolatokat alkotó összetevőkről.
Ennek ellenére számos fontos kérdés megválaszolatlan marad, és ennek következtében az agy továbbra is a tudomány egyik nagy, kínzó rejtélye.
Ezek közül a kérdések közül talán az egyik legfájdalmasabb az agy rendszerként való megértése körül forog. A tudósok még mindig nagyrészt homályban vannak azzal kapcsolatban, hogy az agy hogyan működik kölcsönhatásban lévő komponensek hálózataként, hogyan működik együtt az összes idegi komponens, és különösen arról, hogyan dolgozzák fel az információkat ezen összetett neuronhálózat között.
Most azonban a Princetoni Egyetem idegtudósaiból és fizikusaiból álló csapat segít tisztázni az információáramlást az agyban azáltal, hogy mindenekelőtt egy nagyon kicsi, de mindenütt jelenlévő Caenorhabditis elegans néven ismert féreg agyát tanulmányozza . A kísérlet részleteit a Nature legújabb száma ismerteti .
A csapat Francesco Randi, Sophie Dvali és Anuj Sharma alkotta, és Andrew Leifer idegtudós és fizikus vezette.
„Az agy izgalmas és titokzatos” – mondta Leifer. “Csapatunk érdekli az a kérdés, hogy az idegsejtek gyűjteménye hogyan dolgozza fel az információkat és hogyan generál cselekvést.”
Az e kérdés iránti érdeklődés széles körű következményekkel jár – tette hozzá Leifer. A neuronok hálózatának működésének megértése a biológiai fizika kérdéseinek egy szélesebb osztályának sajátos példája, nevezetesen arra, hogy a kollektív jelenségek hogyan jönnek létre kölcsönható sejtek és molekulák hálózataiból.
Ez a kutatási terület számos, a biológiai fizika szempontjából releváns témát, valamint a kortárs, élvonalbeli technológiákat, például a mesterséges intelligenciát érinti.
Az első lépés annak a kérdésnek a megválaszolásához, hogy miként dolgozzák fel az információkat kölcsönható neuronok hálózatán keresztül, Leifernek és csapatának kellett találnia egy megfelelő szervezetet, amely könnyen manipulálható a laboratóriumban.
Kiderült, hogy ez a C. elegans , egy szegmentálatlan, nem élősködő fonálféreg vagy orsóféreg, amelyet a tudósok évtizedek óta tanulmányoztak, és amelyet „genetikailag modellszervezetnek” tartanak. Modellorganizmusokat gyakran használnak a laboratóriumokban, hogy segítsék a tudósokat a biológiai folyamatok megértésében, mivel anatómiájukat, genetikájukat és viselkedésüket jól ismerik.
A féreg körülbelül egy milliméter hosszú, és számos baktériumban gazdag környezetben megtalálható. A jelenlegi tanulmány szempontjából különösen fontos az a tény, hogy a szervezetnek mindössze 302 idegrendszere van a teljes testében, amelyek közül 188 az agyában található.
“Ezzel szemben az emberi agyban több százmilliárd neuron van” – mondta Leifer. „Tehát ezeket a férgeket sokkal egyszerűbb tanulmányozni. Valójában ezek a férgek kiválóak a kísérletezéshez, mert megtalálják a megfelelő egyensúlyt az egyszerűség és az összetettség között.
Ami fontos, tette hozzá Leifer, a C. elegans volt az első organizmus, amelynek agyvezetékeit teljesen „feltérképezték”. Ez azt jelenti, hogy a tudósok átfogó diagramot vagy „térképet” készítettek az összes neuronjáról és szinapszisáról – azokról a helyekről, ahol a neuronok fizikailag kapcsolódnak és kommunikálnak más neuronokkal.
Ezt a tevékenységi területet az idegtudomány szóhasználatában „konnekomikának” nevezik, és egy szervezet agyában lévő idegi kapcsolatok átfogó térképének diagramját „konnektomikának” nevezik. A konnekomika egyik fő célja az egyes viselkedésekért felelős specifikus idegkapcsolatok feltárása.
A C. elegans laboratóriumi kísérletekben való felhasználásának további előnye , hogy a féreg átlátszó, és bizonyos esetekben szövetét génmanipulációval fényérzékenyre alakították.
Ez a kutatási terület „optogenetika” néven ismert, és forradalmasította a biológiai idegtudomány kísérletezésének számos aspektusát. A hagyományosabb rendszer helyett, amelyben elektródát használnak áramnak a neuronba juttatására és ezáltal a válasz stimulálására, az optogenetikai technika magában foglalja bizonyos organizmusok fényérzékeny fehérjéinek felhasználását, és ezeknek a sejteknek egy másik szervezetbe történő beültetését, hogy a kutatók ellenőrizni tudják egy szervezet viselkedését. vagy fényjelekkel reagál.
Hasonlóképpen, más fehérjék is felhasználhatók arra, hogy világítsanak és jelentsenek, ha az egyik neuron jelet ad a másiknak. Ez két fontos dolgot jelent a laboratóriumi kísérletek szempontjából: hogy egy organizmus reagálni fog a fény jelenlétére, és hogy egy neuron, amint jelet kap egy másik neurontól, „világítani fog”. Ez lehetővé tette a kutatóknak, hogy vizuálisan tanulmányozzák a neuronok kölcsönhatását.
“Az az igazán erős ebben az eszközben, hogy szó szerint bekapcsolhatja a neuronokat, és valós időben figyelheti a jeleiket” – mondta Leifer. “Lényegében az idegi aktivitás mérésének és manipulálásának problémáját át tudjuk alakítani a megfelelő fény összegyűjtésének és megfelelő időben a megfelelő helyre történő eljuttatásának problémájára.”
Ezek az optikai eszközök lehetővé tették Leifer csapatának, hogy megkezdje azt a fáradságos feladatot, hogy megértse, hogyan áramlik át az információ a féreg agyán. A cél az volt, hogy megértsük, hogyan áramlanak közvetlenül a jelek a féreg teljes agyán, ezért minden egyes idegsejtet meg kellett mérni.
Ez magában foglalta egy-egy idegsejt izolálását, megvilágítást, hogy „aktiválják”, majd megfigyeljék, hogyan reagálnak a többi neuron.
“Ennél a kísérletnél egy-egy neuront végigjártunk az egész agyon, aktiválva vagy megzavarva az egyes neuronokat, majd figyelve az egész hálózat reagálását” – mondta Leifer. “Így tudtuk feltérképezni, hogy a jelek hogyan áramlanak át a hálózaton.”
„Ez egy olyan megközelítés volt, amilyenre még soha nem volt példa egy egész agy méretében” – tette hozzá Leifer.
Leifer és csapata összesen közel 10 000 ingereseményt hajtott végre több mint 23 000 pár idegsejt és válaszreakciók mérésével, amely feladat hét évig tartott a fogantatástól a befejezésig.
A Leifer és csapata által végzett kutatás eddig a legátfogóbb leírása arról, hogyan áramlanak át a jelek az agyon. A C. elegans-t tanulmányozó tudósok számára a kutatók sok információval szolgáltak arról, hogyan működnek a specifikus jelek a féreg agyában, és remélhetőleg ez a kutatás rengeteg új információval szolgál majd, amelyek elősegítik az alapkutatás előrehaladását.
Ugyanilyen fontos megállapítás volt, hogy Leifer és csapata számos empirikus megfigyelése, amelyet a kísérlet során végzett, gyakran ellentmondott a férgek viselkedésére vonatkozó előrejelzéseknek, amelyek a féreg konnektortérképéből származó matematikai modelleken alapulnak.
„Arra a következtetésre jutottunk, hogy sok esetben a kapcsolási rajzon nem látható molekuláris részletek valójában nagyon fontosak a hálózat reagálásának előrejelzésében” – mondta Leifer.
A kutatók azt sugallják, hogy van a jelzésnek egy olyan formája – a „nem látható molekuláris részletek” része –, amely nem halad előre az idegi vezetékeken. Leifer és csoportja ezeket „vezeték nélküli jelekként” jellemezte.
Bár a vezeték nélküli jelzések jól ismertek az idegtudósok körében, nagyrészt alulértékelték az idegi dinamika tanulmányozására, mert gyakran azt hitték, hogy nagyon lassan megy végbe.
A vezeték nélküli jelátvitel a jelátvitel egyik formája, amellyel egy neuron molekulákat, úgynevezett neuropeptideket bocsát ki a neuronok közötti extracelluláris térbe vagy „extracelluláris miliőbe”. Ezek a vegyszerek akkor is diffundálnak és kötődnek más neuronokhoz, ha nincs köztük fizikai kapcsolat.
Végül a kutatók úgy vélik, hogy munkájuk fontos hatása az, hogy lehetővé teszi más idegtudósok számára, akik ezt és a hasonló jelenségeket tanulmányozzák, hogy jobb modelleket dolgozzanak ki, amelyek segítségével megérthetik az agyat, mint rendszert.
„Kutatásunkkal a rejtvény egy nagyon fontos darabját biztosítottuk, amely hiányzott” – mondta Leifer.
Finanszírozás: Ezt a munkát elsősorban az Országos Egészségügyi Intézet Új Innovátor Díja, a Nemzeti Tudományos Alapítvány KARRIER-díja és a Simons Alapítvány díja támogatta. Finanszírozást kapott az NSF Physics Frontier Center támogatása is, amely a Princeton Egyetem Biológiai Funkció Fizikai Központját támogatja.
Erről az idegtudományi kutatási hírről
Szerző: Catherine Zandonella
Forrás: Princeton
Eredeti kutatás: Nyílt hozzáférés.
„ A Caenorhabditis elegans idegi jelterjedési atlasza ”, Andrew Leifer et al. Természet
Absztrakt
A Caenorhabditis elegáns idegi jelterjedési atlasza
Az idegtudomány alapvető problémája annak meghatározása, hogy a neurális funkció hogyan jön létre a hálózat tulajdonságaiból.
Itt, hogy jobban megértsük az idegrendszer szerkezete és működése közötti kapcsolatot, szisztematikusan mérjük a jelek terjedését 23 433 pár neuronban a Caenorhabditis elegans fonálféreg fején, közvetlen optogenetikai aktiválással és egyidejű teljes agyi kalcium képalkotással.
Funkcionális atlasz létrehozásához mérjük a jelet (serkentő vagy gátló), az erősséget, az időbeli tulajdonságait és a jel terjedésének ok-okozati irányát ezen idegsejtek között. Azt találtuk, hogy a jelterjedés eltér az anatómián alapuló modell-előrejelzésektől.
Mutánsok felhasználásával megmutatjuk, hogy az anatómiából nem látható extraszinaptikus jelátvitel hozzájárul ehhez a különbséghez. A sűrű mag-vezikuláktól függő jelátvitel számos példáját azonosítjuk, beleértve a másodpercnél rövidebb időskálákat is, amelyek akut kalcium-tranzienseket idéznek elő – gyakran ott, ahol nincs közvetlen vezetékes kapcsolat, de releváns neuropeptidek és receptorok expresszálódnak. Javasoljuk, hogy ilyen esetekben az extraszinaptikusan felszabaduló neuropeptidek a klasszikus neurotranszmitterekhez hasonló funkciót töltsenek be.
Végül a mért jelterjedési atlaszunk jobban megjósolja a spontán aktivitás idegi dinamikáját, mint az anatómián alapuló modellek. Arra a következtetésre jutottunk, hogy mind a szinaptikus, mind az extraszinaptikus jelátvitel rövid időn belül befolyásolja a neurális dinamikát, és a kiváltott jel terjedésének mérése döntő fontosságú az idegi működés értelmezéséhez.
