Wpatrywanie się w mózg

W środku czarnego jak smoła pokoju, na stoliku mikroskopu leży nieruchomo bardzo wyjątkowa mysz. Miesiące wcześniej myszowi wycięto w czaszce dwa małe otwory, odsłaniające oponę twardą – zewnętrzną błonę mózgu – i naczynia krwionośne poniżej. Otwory zostały na stałe pokryte przezroczystym szkłem, aby naukowcy mogli zajrzeć bezpośrednio do mózgu myszy, gdzie niektóre z jej neuronów świecą na zielono w świetle lasera mikroskopu.

Aby zobaczyć obrazy tego laboratorium obserwującego mózg, Kliknij tutaj .

Ta historia była częścią naszego wydania z września 2006 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Gdy znieczulona mysz śpi, Wei-Chung Lee, stażysta w Picower Center for Learning and Memory, robi serię zdjęć pojedynczego neuronu. Połączy te zdjęcia w trójwymiarowy obraz neuronu i porówna go z obrazem tej samej komórki utworzonej tydzień temu, aby określić, jak zmieniała się w czasie.

Technika ta dała naukowcom z MIT bezprecedensowe spojrzenie na zaskakujący wzrost neuronów w trakcie codziennego życia dorosłej myszy. Widzisz pełen zakres rodzajów wzrostu, które widzisz podczas rozwoju, takich jak skoki wzrostu, wydłużenia, cofnięcia lub nowe dodatki, mówi Elly Nedivi, profesor neurobiologii na MIT, która kieruje badaniami. To właśnie mózg robi na co dzień. Nedivi pomógł opracować nową procedurę obrazowania we współpracy z Peterem So, ekspertem od obrazowania w dziale bioinżynierii MIT, mając nadzieję na lepsze zbadanie zmian w złożonych sieciach projekcji przypominających gałęzie, które przekazują wiadomości między neuronami. Odkryła, że ​​pomaga zmienić naukowy obraz mózgu.

Dawno, dawno temu naukowcy sądzili, że mózg dorosłego człowieka ma w większości statyczną strukturę – że po zrywach wzrostu neuronów w okresie niemowlęctwa i dojrzewania połączenia między neuronami są trwale ułożone, jak sieć utwardzonych dróg. Jednak coraz więcej dowodów sugeruje, że mózg dorosłego człowieka ma zaskakującą zdolność do reorganizacji. Nedivi i jej zespół dostarczyli nowego wsparcia dla tego pomysłu, dostarczając pierwszy dowód żywym zwierzętom, że projekcje wymiany informacji w neuronach mogą rosnąć i cofać się w wieku dorosłym, w sposób jakościowo podobny do tego, co robią we wczesnym okresie życia.

Neuronaukowcy wiedzieli, że w dorosłym mózgu muszą zachodzić pewne zmiany neuronalne, ponieważ uczymy się przez całe życie. Ale ludzie nie wiedzieli, czy tej plastyczności towarzyszyły zmiany strukturalne, mówi David Kleinfeld, neurobiolog z University of California w San Diego. Nedivi i jej współpracownicy, jak mówi, wykazali, że neurony przynajmniej jednego konkretnego typu nadal rosną i ewoluują u dorosłej myszy.

Kluczem do odkrycia Nedivi była umiejętność patrzenia na ten sam neuron u żywego zwierzęcia tydzień po tygodniu. Większość wcześniejszych badań nad neuroplastycznością – zdolnością mózgu do tworzenia nowych połączeń nerwowych – dotyczyło wycinków mózgu, części mózgu utrzymywanych przy życiu przez krótki czas. Chociaż takie badania in vitro pozwalają naukowcom sprawdzić, w jaki sposób na połączenia neuronowe wpływają określone czynniki, takie jak wstrząsy elektryczne lub różne rodzaje leków, nie mogą one wykazać, co dzieje się z neuronami w żywym mózgu, gdy zwierzę się starzeje lub rozwija choroba lub jest wychowywana w izolacji.

Patrzenie na tę samą komórkę przez kilka tygodni może ujawnić powolny wzrost neuronów w mózgu. Nedivi ma nadzieję wykorzystać ten proces do ustalenia, co dzieje się nie tak w mózgach myszy zaprojektowanych do modelowania choroby Alzheimera i schizofrenii. Takie badania przyniosą zarówno nowe informacje o chorobach człowieka, jak i sposób na przetestowanie nowatorskich terapii.

Naukowcy mają również nadzieję, że uda im się określić najlepsze sposoby pobudzania wzrostu komórek mózgowych. Gdyby neurony mogły zostać nakłonione do wyhodowania nowych wypustek w określonych częściach mózgu lub rdzenia kręgowego, mogłyby być w stanie zrekompensować szkody spowodowane urazem rdzenia kręgowego lub udarem.

Kwitnące drzewo

Aby obserwować neurony w żywym mózgu, Nedivi i jej współpracownicy umieścili okna w czaszkach myszy genetycznie zmodyfikowanych do wytwarzania barwnika fluorescencyjnego w kilku losowo wybranych komórkach mózgowych. Przez okna robią zdjęcia neuronów fluorescencyjnych za pomocą mikroskopu dwufotonowego, instrumentu, który tworzy obrazy o bardzo wysokiej rozdzielczości.

Ultraszybki laser tytanowo-szafirowy wysyła paczki światła przez złożoną serię soczewek i luster, które kierują światło na poszczególne komórki w mózgu znieczulonej myszy. Barwnik fluorescencyjny w wybranych neuronach świeci tylko wtedy, gdy dwa fotony uderzają w cząsteczkę barwnika dokładnie w tym samym czasie, co pozwala na dokładniejsze obrazowanie komórek. (Dlatego pomieszczenie musi być czarne jak smoła: wszelkie obce światło zostałoby wychwycone przez detektor fotonów mikroskopu, zaciemniając uzyskany obraz. Naukowcy noszą lampy czołowe na wypadek konieczności dostosowania sprzętu.)

Neurony składają się z centralnego ciała komórki i szeregu rozgałęzień, które rozciągają się na różne części mózgu, aby wysyłać i odbierać sygnały elektryczne. Aby uchwycić całą strukturę danego neuronu, laser skanuje go w przekrojach poziomych, zagłębiając się w głąb mózgu z każdym ruchem. Badacze przeglądają obrazy – przypominające obrazy Jacksona Pollocka – i wybierają kształty odpowiadające projekcjom. Następnie program komputerowy łączy obrazy, aby stworzyć model 3D.

Aby zarejestrować, jak neurony zmieniają się w czasie, naukowcy z MIT robią zdjęcia tego samego neuronu co tydzień przez kilka tygodni, używając pobliskich naczyń krwionośnych, aby go zlokalizować. W artykule opublikowanym na początku tego roku w Biblioteka Publiczna Nauk Biologicznych zespół wykazał, że dendryty – wypustki, których neurony używają do odbierania informacji z innych komórek mózgowych – mogą rosnąć, skręcać się i zginać, wysyłając nowe pędy jak kwitnące drzewo. Jest bardzo potężny – możesz zobaczyć zmiany, mówi Lee. A ponieważ obrazy są pobierane od żywego zwierzęcia, mówi, oddają zachowanie mózgu znacznie dokładniej niż obrazy wycinka mózgu, w którym wiele połączeń nerwowych jest przerwanych.

Ten rodzaj wzrostu nigdy wcześniej nie był widziany w badaniach żywych zwierząt. Wcześniejsze badania z wykorzystaniem obrazowania dwufotonowego wykazały niewielkie zmiany strukturalne w kolcach dendrytycznych, małe guzki na powierzchni dendrytów. Ale te badania zrekonstruowały tylko małe fragmenty każdego neuronu. Modelując całe komórki, Nedivi i współpracownicy byli w stanie zobaczyć zmiany na większą skalę, które wcześniej mogły pozostać niezauważone. Najbardziej ekscytujące w ich pracy jest to, że wykazuje nieoczekiwaną dynamikę w neuronach, mówi Josh Sanes, neurolog z Harvard University, którego laboratorium zaprojektowało myszy użyte w badaniu.

Ponadto zespół Nedivi odkrył, że tylko pewien typ neuronu podlega tym zmianom. Wcześniejsze badania koncentrowały się na neuronach pobudzających, które wysyłają sygnały elektryczne, które powodują odpalanie innych neuronów. Z drugiej strony neurony hamujące uwalniają substancje chemiczne, które powstrzymują inne neurony przed odpalaniem. To właśnie te neurony mogą wydłużać i chować nowe projekcje. Neurony hamujące są mniej rozpowszechnione w mózgu niż ich pobudzający kuzyni i są gorzej zbadane.

Czynniki wzrostowe

Pierwsze eksperymenty Nedivi koncentrowały się na myszach żyjących w standardowym laboratorium, ale teraz, kiedy ona i jej zespół zdefiniowali normalną ilość plastyczności neuronalnej dorosłych, mogą zbadać, jak różne czynniki środowiskowe lub genetyczne wpływają na wzrost mózgu. Na przykład wcześniejsze badania wykazały, że dawanie młodym gryzoniom zabawek lub hodowanie ich w zróżnicowanym krajobrazie pobudza narodziny nowych komórek mózgowych. Obrazowanie dwufotonowe pozwoli naukowcom zbadać, w jaki sposób życie w złożonym środowisku wpływa na organizację neuronalną mózgu. Lee niedawno zaczął badać, w jaki sposób deprywacja wzrokowa wpływa na plastyczność neuronalną w korze wzrokowej. Projekty te pomogą naukowcom dowiedzieć się, czy różne środowiska powodują szybszy wzrost neuronów zwierząt lub częstsze przegrupowanie i czy te zmiany ostatecznie prowadzą do różnic w zachowaniu.

Tymczasem Nedivi mówi, że została zalana prośbami od naukowców badających choroby, takie jak choroba Alzheimera i schizofrenia. Kiedy scharakteryzujemy problem z każdą inną chorobą – być może rośnie mniej projekcji lub dotyczy to tylko pewnego rodzaju neuronu – wtedy możemy dostosować leczenie do tego problemu, mówi. Moglibyśmy również wykorzystać tę technologię jako platformę do badań przesiewowych pod kątem terapii.

Oczywiście każdy eksperyment będzie wymagał miesięcy przy mikroskopie. Zobrazowanie każdego neuronu zajmuje wiele godzin, a skonstruowanie trójwymiarowego modelu z dwuwymiarowych obrazów zajmuje kilka dni. Ponadto naukowcy będą musieli skrupulatnie porównać neurony wielu zwierząt, aby poznać różnice między zachowaniem komórek chorych i zdrowych. Niestety czas to coś, czego Nedivi obecnie nie ma; laboratorium korzysta z niestandardowego mikroskopu w laboratorium So. Raz w tygodniu jej uczniowie pakują myszy w pudełka i zabierają je do laboratorium, obrazując tyle neuronów, na ile pozwala czas. Wkrótce Nedivi ma nadzieję, że zdobędzie 500 000 dolarów niezbędnych do zainstalowania instrumentu we własnym laboratorium, co da jej naukowcom nieograniczony czas na obserwowanie działania mózgu.

ukryć