Вот большой вопрос современной нейробиологии: как структура и активность мозга связаны с функцией? Один из основных способов изучения нейробиологами динамики этих отношений – измерение нейронной активности с помощью флуоресцентной визуализации в мозгу мыши, процесс, который затрудняется из-за плотности ткани мозга и ее переплетенных и перекрывающихся нервных волокон. Исследователи из Института Бака в сотрудничестве с коллегами из Калифорнийского университета в Сан-Франциско разработали инструменты, которые упрощают постановку этого важного вопроса, делая визуализацию нейронных цепей более простой и точной. Результаты публикуются в Neuron.
Под руководством доцента Бака Дженнифер Гаррисон, Ph.D., исследователи использовали рибосому, большую "машина" внутри клетки, которая производит белки, чтобы закрепить сенсоры в теле клетки, или «сома». Нейроны имеют уникальную архитектуру с волокнами, которые отходят от сомы, называемыми аксонами и дендритами. Эти волокна часто составляют более 90% объема клетки. Когда флуоресцентные белки распространяются по всем частям нейрона и этот нейрон встроен в ткань мозга, которая плотно упакована другими нейронами и их смешанными ветвями, бывает сложно отделить сигналы от отдельных клеток.
В этом исследовании исследователи показали, что нанотело, привязанное к субъединице рибосомы, можно использовать для улавливания зеленого флуоресцентного белка (GFP) в соме и исключения его из аксонов и дендритов, что позволяет напрямую визуализировать ранее необнаруживаемые низкие уровни флуоресценции. Они также прикрепили к рибосоме генетически кодируемые сенсоры кальция (GCaMP), чтобы удерживать их в теле клетки. Каналы кальция открываются, когда нейрон активирован, что делает изменения уровня кальция косвенным показателем активности нейронов. Новый инструмент riboGCaMP может отслеживать динамику кальция в сомах смешанных нейронов, устраняя при этом перекрестные помехи от запутанных сетей нервных волокон в ткани.
"Это поворот, который добавляет функциональность к существующему набору инструментов молекулярной визуализации, используемому нейробиологами," – сказал Гаррисон, добавив, что современные методы визуализации часто требуют использования многих аналитических инструментов для очистки данных визуализации после их сбора. "У мышей он решает проблему избавления от фоновой флуоресценции и ложной активности, исходящей от окружающих аксонов и дендритов. Мы думаем, что это будет широко полезно для сообщества, и это очень интересно."
Гаррисон говорит, что рибо-GCaMP можно использовать для долгосрочных экспериментов по визуализации мозга мышей, учитывая, что рибосома надежно экспрессируется с течением времени в теле клетки. "Можно вернуться назад и визуализировать одни и те же нейроны на срок до шести месяцев, что действительно полезно при визуализации у живого животного – это позволяет нам продольно отслеживать нейронную активность одного и того же животного, а не смотреть на разные когорты с течением времени."
Инструмент также работает с нематодным червем C. elegans, позволяя получать изображения всего мозга с более быстрой кинетикой и более яркой флуоресценцией. В настоящее время в большинстве изображений мозга червя используются GCaMPs, локализованные в ядре, которое находится дальше от синапса, где происходит нейрональная передача. "Как в мозге червя, так и в мозге мыши вы можете измерять нейронную активность на уровне популяции. У червей вы можете посмотреть на всю нейронную динамику на уровне всего мозга, что является ключом к пониманию того, как функционируют нейронные цепи" сказал Гаррисон.