Коннектом обонятельной луковицы рыбок данио.
Один из фундаментальных вопросов нейробиологии заключается в том, как нейронные цепи связаны для обработки информации. Исследовательская группа под руководством Райнера Фридриха разработала новые методы определения сложной морфологии плотно упакованных нейронов и их синаптических связей с помощью трехмерной электронной микроскопии. Как сообщает Nature Neuroscience, эти методы позволили им реконструировать всю обонятельную луковицу личинки рыбок данио, содержащую более 1000 нейронов. Они обнаружили, что проекции нейронов в обонятельной луковице широко распределены, но не организованы случайным образом. Скорее, сеть содержит модули, которые получают аналогичные входные данные, которые с большей вероятностью будут связаны друг с другом, чем другие. Это исследование знаменует собой шаг вперед в развивающейся области коннектомики.
Сила мозга проистекает из командной работы: хотя каждый нейрон медленнее по сравнению с компьютером, сети нейронов превосходят компьютеры в сложных задачах. Сетевое взаимодействие между нейронами зависит от характера синаптических связей. Этот паттерн – определяющий "кто может с кем поговорить" – руководит обработкой информации в сети. Однако сопоставление синаптических подключений было чрезвычайно сложно. Исследователи, работающие с Райнером Фридрихом, руководителем группы в Институте биомедицинских исследований имени Фридриха Мишера, теперь разработали методы, облегчающие эту задачу. Таким образом, они смогли реконструировать практически все нейроны в обонятельной луковице личинки рыбок данио – всего более 1000. Фридрих комментирует: "Полнота этой реконструкции позволила нам раскрыть принципы организации сети, которые невозможно обнаружить, анализируя один нейрон за раз."
Нанометрическое разрешение для больших объемов
Более века назад Камилло Гольджи и Сантьяго Рамон-и-Кахаль произвели революцию в современной нейробиологии, визуализировав сложную морфологию отдельных нейронов в ткани мозга. Но, за некоторыми исключениями, до сих пор было невозможно реконструировать плотные сети нейронов и их синаптических связей. Одна из фундаментальных проблем заключается в том, что, хотя синапсы и тонкие отростки нейронов могут быть меньше 100 нанометров, целые цепи на порядки больше. Таким образом, плотная реконструкция сетей требует методов визуализации, которые обеспечивают нанометровое разрешение в больших объемах. Эта цель стала достижимой, когда несколько лет назад были разработаны автоматизированные методы крупномасштабной трехмерной электронной микроскопии (ЭМ). Адриан Ваннер, аспирант в группе Райнера Фридриха, теперь изобрел и запатентовал новую технику пробоподготовки, которая открывает путь к применению этих методов для решения биомедицинских проблем. По словам Кристель Жено, возглавляющей подразделение EM в FMI, "Теперь мы можем отображать ультраструктуру нейронных цепей с гораздо более высокой скоростью и качеством, чем раньше, что делает возможным действительно крупномасштабные исследования."
Надежный рабочий процесс для отслеживания морфологии нейронов
Еще одна задача – проследить морфологию всех нейронов и идентифицировать их синаптические контакты. Это не только масштабная задача, но и сложная задача анализа изображений, которую компьютеры пока не могут решить. Поэтому Адриан Ваннер нанял внешних помощников и основал компанию (Ariadne Service GmbH), чтобы облегчить управление этими усилиями: "Организовав помощников в компании, мы создали устойчивую структуру, которая позволит нам и другим ученым в будущем получать выгоду от профессиональных услуг по отслеживанию." Кроме того, он решил множество других задач в рабочем процессе. Конечным результатом стал полный конвейер от мокрого образца мозга к цифровой реконструкции схемы.
Реконструкция всей обонятельной луковицы
Используя этот конвейер, Фридрих и его сотрудники реконструировали практически все нейроны в обонятельной луковице личинки рыбок данио. Они обнаружили два новых типа клеток и составили карту распределения синапсов по всем клеткам. Важно отметить, что их плотная реконструкция позволила им проанализировать структуру сети в целом. Ваннер объясняет: "Мы обнаружили, что выступы между функциональными модулями обонятельной луковицы – клубочками – не организованы случайным образом. Скорее, клубочки, которые получают сигнал от сенсорных нейронов, экспрессирующих аналогичные рецепторы, чаще связаны друг с другом, чем другие. Это важно, потому что позволяет понять принципы потока информации в обонятельной луковице."
По словам Фридриха, следующая цель нейробиологов – измерить паттерны нейрональной активности, прежде чем реконструировать схему. Питер Руппрехт, еще один аспирант в группе, недавно разработал оптический метод измерения нейронной активности >1500 нейронов одновременно в 3D. Фридрих комментирует: "Теперь мы можем объединить этот метод с 3D-EM, чтобы напрямую связать структуру сложных нейронных цепей с их функцией."