Ученые RIKEN использовали новый подход, сочетающий молекулярную генетику, визуализацию клеток и искусственное обучение, чтобы сделать неожиданное открытие, что Myosin6, хорошо известный моторный белок актина, играет ключевую роль в ветвлении нейронов. Это открытие может однажды помочь нейронам восстановиться после повреждений.
Ветвистые структуры нейронов, известные как дендриты, собирают и обрабатывают информацию от других нейронов. Форма, которую принимают эти дендриты, сильно влияет на то, как нейрон функционирует в нервных цепях, а нарушение процесса ветвления может привести к умственной отсталости и психическим расстройствам.
Но мало что известно о молекулярных процессах, которые управляют формированием паттерна нейронов. "Мы давно знаем, что генетический план определяет форму нейрона," говорит Адриан Мур из RIKEN Center for Brain Science (CBS). "Но мы далеки от того, чтобы прочитать этот план – это все еще черный ящик."
Знание процессов, участвующих в ветвлении нейронов, может принести практическую пользу в будущем. "Если мы сможем понять, как растут нейроны, мы могли бы перепрофилировать некоторые из этих программ, чтобы помочь нейронам восстанавливаться после повреждения," отмечает Мур.
Миозины действуют как миниатюрные моторы, заставляя мышцы сокращаться, а клетки двигаться. Теперь Мур и его коллеги обнаружили, что белок Myosin6 играет ключевую роль в определении положения первичных нервных ветвей. "Мы не ожидали обнаружить, что Myosin6, известный моторный белок актина, влияет на нервное ветвление," говорит Мур.
Чтобы сделать это открытие, команда объединила две технологии: покадровую визуализацию развивающихся нейронов у живых плодовых мушек и машинное обучение, которое позволило количественно определить дендритные узоры на изображениях. Затем они сравнили полученные параметры изображения с поведением молекул в растущем нейроне.
"Большой прогресс был достигнут в визуализации формирования нейронов у живых мух. Теперь мы могли следить за нейроном от рождения до зрелости," говорит Мур. "В то же время способность компьютеров анализировать изображения быстро улучшается. В этом исследовании мы объединили эти две технологии."
В своем анализе развития и ветвления нейронов команда использовала инструмент из поведенческих исследований животных – этограммы, которые количественно каталогизируют поведение животных. "По образованию я молекулярный биолог, но, общаясь с моими коллегами-неврологами из CBS, которые сосредоточены на поведении, я пришел к выводу, что клетки демонстрируют поведение, как и животные," говорит Мур. "В этом исследовании мы смотрели на нейроны так же, как на животных или популяции, и спрашивали, как они себя ведут и что подчеркивает это поведение."
Мур добавляет: "Эта работа важна для демонстрации того, как новые подходы, подобные принятому нами, могут быть использованы для продвижения биомедицинских исследований."