Ученые впервые составили 3D модель мозга дрозофилы
Чернобрюхая дрозофила (источник: geo.ru)
Изучение нервной системы человека и животных ведется учеными сотни лет. Конечно, за это время человек гораздо лучше стал понимать принцип работы отдельных нервных клеток и всей системы, из которых она состоит. Но до полного понимания еще далеко.
Изучение ведется по принципу «от простого к сложному»: если нет возможности сразу понять то, как работает, например, мозг человека, то специалисты занимаются изучением мозга более простых существ. Ученые из Университета Токай выбрали в качестве объекта для изучения мозг дрозофилы.
Мозг даже такого небольшого насекомого, как дрозофила — это очень сложная система. Для построения объемной модели этого органа ученым потребовалось много времени. Сейчас специалисты работают с рядом методик, которые позволяют без особых проблем изучать строение мозга. Например, ученые используют флуоресцентные вещества, которые высвечивают отдельные нейроны. Электронный микроскоп тоже помогает в изучении мозга, показывая его структуру на нейронном уровне.
После того, как отдельные нейроны «картированы», получившиеся изображения анализируют для составления единой системы. Отображение связей между нейронами и составление модели мозга и является конечной целью такой работы. Все это нужно для того, чтобы понимать, как все связано со всем, и как все это работает.
Объемная модель мозга, созданная при помощи компьютера, демонстрирует многие нейронные связи. Команда ученых Университета Токай под руководством Рюта Мизутнани разработала новый метод составления объемной карты мозга. Для этого используются особое вещество, отдельные молекулы которого прикрепляются к нейронам мозга. Далее ученые создают «скелетную карту» молекул при помощи облучения мозга рентгеновскими лучами. Используя свой метод, ученые смогли составить подробную объемную карту сети нейронов мозга насекомого.
В биохимии для создания 3D моделей сложных органических веществ используется особый метод. Для создания «скелетной карты» молекулы соединения используется рентгеновское излучение. Если это возможно, интересующее специалистов соединение кристаллизуется. А далее используется рентгеновская кристаллография (рентгеноструктурный анализ). Это использование рентгеновских лучей для выявления молекулярной структуры кристалла. Основан метод на явлении рентгеновской дифракции — рассеяния пучка рентгеновских лучей атомной структурой кристалла.
Этот метод неплох, но если структура вещества очень сложная, то для составления 3D модели молекулы вещества приходится тратить большое количество времени. Последние пару десятков лет ученым помогают компьютеры, которые анализируют полученные в ходе изучения вещества данные. Компьютерные системы помогают оценить позицию атома в трехмерном пространстве, затем изучается связь с другим атомом, потом — еще одним итак далее. Программное обеспечение понемногу выстраивает модель изучаемого вещества.
Мизутани решил использовать этот метод и ПО для определения местоположения и формы нейронов мозга дрозофилы. Здесь есть определенные сложности, одна из которых заключается в том, что нейроны — это вовсе не атомы. Это сложные объекты, которые могут сбыть связаны друг с другом самым необычным образом.
Для построения карты мозга ученые использовали метод, который называется рентгеновская томография. Это метод послойного исследования структуры неоднородных объектов в рентгеновском излучении, основанный на зависимости линейного коэффициента поглощения в рентгеновском диапазоне от состава и плотности вещества. Ученые пропитали мозг плодовой мушки серебристой краской, а затем просветили рентгеновским излучением. Специальная система помогла оценить отклонение рентгеновских лучей. А это, в свою очередь, и позволило создать трехмерную карту абсорбированных нейронами молекул красителя.
После этого ученые перешли к следующему этапу работы, используя эти данные для оценки местоположения и формы нейронов мозга. В ходе работы над созданием карты мозга дрозофилы использовалось специальное программное обеспечение. Оно позволяло убедиться в том, что система не расценит два рядом расположенных нейрона, как один, например. ПО постепенно составляло карту мозга мушки, отыскивая аномальные данные и проверяя их на наличие ошибок. Результат работы ПО проверялся оператором — человеком. Если что-то было не так, человек исправлял проблему.
В итоговой модели показаны 100 000 нейронов. Система отследила 15 000 связей между ними. На создание карты, по признанию ученых, потребовалось около 1700 человеко-часов. Но результат стоил всех потраченных усилий и времени. 3D-модель мозга дрозофилы является первой в мире. С ее помощью удалось идентифицировать уже известные образования в мозгу насекомого, а также обнаружить структуры, о которых ученые ничего не знали.
Работа японцев очень важна для дальнейшего изучения нервной системы животных и человека. С течением времени ученые надеются создать карту мозга более сложных организмов.
Дрозофилы в силу ряда своих особенностей являются популярным объектом для изучения. Годом ранее команда учёных из Медицинского института Говарда Хьюза в США представила интересную видеозапись, на которой отчётливо видна нервная активность личинки плодовой мушки дрозофилы.
Нервную систему личинки ученые изучали во время движения вперед и назад. На видео заметна передача сигналов от верхней части туловища личинки к нижней и обратно. По словам специалистов, эта модель очень подробна. Ее удалось создать благодаря использованию новых методов съемки нейронной активности организма.
Для того, чтобы все это стало возможным, Филиппом Келлером (Philipp Keller) и Мишей Аренсом (Misha Ahrens) генетически модифицировали плодовую мушку. Модификация заключалась в том, чтобы заставить каждый нейрон нервной системы этого организма флуоресцировать при получении или передаче сигнала. При движении использовалась оптическая система, которая позволила снимать личинку мушки одновременно с двух сторон.
Научная работа «Three-dimensional network of Drosophila brain hemisphere» была опубликована 8 сентября 2016 года (DOI: 10.1016/j.jsb.2013.08.012).
