Мозг мыши содержит примерно 80 миллионов нейронов, и все они упакованы в пространство размером с лесной орех. Эти клетки бывают самых разных форм и размеров, а их связи друг с другом исчисляются миллиардами – по крайней мере,.
Мозг зависит от этой схемы, чтобы интерпретировать информацию о мире, учиться на опыте и контролировать движения. Нервные клетки смешиваются в этом тесном пространстве, образуя сложную сеть, из-за чего ученым трудно понять, какие клетки отвечают за какие задачи.
Теперь, в двух статьях, опубликованных 31 октября 2018 года в журнале Nature, исследователи из исследовательского кампуса Janelia при Медицинском институте Говарда Хьюза и Института мозговых исследований Аллена выяснили, как два типа переплетенных нервных клеток разделяют работу по планированию и инициированию. движения. Интегрируя анализ формы нейронов, активности и функции генов по отдельности, команда ученых определила, какие клетки мозга отвечают за эти различные, но тесно связанные друг с другом задачи.
Комбинирование такого обширного анализа представляет собой серьезный технический подвиг, – говорит руководитель группы компаний Janelia Карел Свобода. По его словам, это новый подход к пониманию функций мозга. Работа потребовала нескольких команд ученых из нескольких институтов, объединившихся для решения одной проблемы. Свобода считает, что такой подход будет необходим, чтобы помочь исследователям решать самые сложные вопросы нейробиологии.
"Значительный прогресс в исследованиях мозга будет во все большей степени зависеть от такого сотрудничества," он говорит.
Построение новой нейронной территории
Во всем мире исследователи предприняли усилия по созданию всеобъемлющих нейронных карт, чтобы раскрыть правду о мозге.
Нейробиологи изучают сложные сети мозга с разных сторон, отображая клеточные структуры, молекулярные особенности и нейронную активность. По словам Свободы, объединение этой разрозненной информации для понимания функций мозга остается непростой задачей.
В Janelia одно долгосрочное картирование связано с анатомией нейронов. Ученые из проектной группы MouseLight определили точную структуру нейронов в мозгу мыши – масштабное мероприятие, которое включает в себя кропотливое отслеживание жёстких путей отдельных нейронов на тысячах изображений мозга. Дополнительные усилия в Институте Аллена заключаются в построении диаграммы экспрессии генов клеток, выявлении ключевых сходств и различий между клетками и подсказках относительно клеточной функции.
В новой работе ученые Janelia Майк Экономо, Сарада Вишванатан, Лорен Лугер, Свобода и коллеги объединили усилия с учеными Института Аллена для создания полных профилей экспрессии генов клеток в неокортексе мыши. Неокортекс – это самая большая часть мозга млекопитающих, отвечающая за высшие когнитивные функции. Команда сосредоточилась на передней боковой моторной коре (ALM), области, участвующей в планировании и выполнении движений.
Свобода говорит, что группы Джанелии и Института Аллена сотрудничают в течение многих лет. Его лаборатория работала над описанием того, как нейроны ALM кодируют информацию и управляют движениями, а ученые Института Аллена использовали новую технологию секвенирования одноклеточной РНК для анализа молекулярного состава отдельных нейронов ALM.
Босилка Ташич, Хункуи Цзэн и его коллеги из Института Аллена определили полный набор молекул РНК – транскриптом – присутствующих в каждом из 23 822 нейронов неокортекса. Это дало полную картину того, какие гены были включены в каждой клетке – в среднем около 9000 генов на клетку. В огромном наборе данных исследователи идентифицировали более 130 групп клеток, которые имеют общие транскриптомы.
Определение роли
Затем команда сопоставила свои молекулярные открытия со структурной информацией, полученной в рамках проекта Джанелии MouseLight.
Ученые сосредоточились на крупных нейронах в ALM, которые переносят информацию от коры головного мозга. Внутри этого подмножества нейронов две группы клеток, определяемые их транскриптомами, также имеют общие анатомические особенности. Команда обнаружила, что их пути к другим частям мозга различны. Один набор подключается к стволу мозга, где находятся двигательные нейроны, которые направляют тело на выполнение действий. Второй набор соединяется с таламусом, своего рода центральным коммутатором в головном мозге.
В совокупности эти клетки уже привлекли внимание нейробиологов, потому что они особенно уязвимы для нейродегенеративных заболеваний. "Но на самом деле не было оценено, что эти нейроны имеют отдельные ароматы и могут играть разные роли," говорит Экономо, научный сотрудник лаборатории Свободы.
Чтобы разделить эти роли, Экономо нацелился на каждый класс клеток индивидуально, манипулируя и измеряя активность, когда мыши выполняли простую задачу – движение в определенном направлении в определенное время. Эксперименты показали, что одна группа нейронов, которая соединяет ALM с таламусом, имеет решающее значение для планирования будущих движений. Другой набор нейронов, которые соединяют ALM со стволом мозга, необходим для инициирования движения. Проще говоря, два типа нейронов делятся на два класса и имеют различное поведение, говорит Свобода. "Эти типы клеток несут разные сообщения в разные области мозга, чтобы производить разные функции."
По его словам, объединив несколько потоков данных, команда смогла внести ясность в сложный вопрос схемы.
"Ученые всегда могут найти способы разделить клетки на группы," Тасич добавляет, но в этом случае группы дают четкое представление о роли каждого типа клеток в формировании движения. Это ключевой шаг в понимании сложности коры головного мозга.
По словам Свободы, поскольку функции более 100 молекулярно определенных типов клеток в зрительной коре и только ALM еще предстоит изучить, ученым еще предстоит разгадать множество сложностей.
Но, добавляет он, с развитием новых исследовательских инструментов и ускорением масштабных работ по картированию, этот тип нейронного декодирования вскоре может набирать обороты.