Первая беспроводная карта нервной системы червя

Исследователи создали первую в истории карту, показывающую, как каждый нейрон в нервной системе крошечного червя общается "беспроводным" способом. Этот огромный шаг вперёд в понимании того, как нейроны общаются с помощью крайне коротких белков — нейропептидов — поможет учёным понять, как контролируются наши эмоции и психические состояния, а также такие распространённые нейропсихиатрические состояния, как расстройства пищевого поведения, ОКР и ПТСР.

Карта детализирует 31 479 нейропептидных взаимодействий между 302 нейронами червя, показывая, где каждый нейропептид и каждый рецептор к этим пептидам действует в нервной системе животного. Нейропептиды позволяют общаться нейронам, которые не находятся непосредственно рядом друг с другом, поэтому их сети можно рассматривать как беспроводной коннектом. Коннектом — это карта нейронов, составляющих мозг организма, и детальная схема нейронных путей внутри него.

Исследователи быстро продвигаются в построении коннектомов для простых организмов, но до сих пор никому не удавалось построить карту нейропептидной сети у какого-либо животного.

Работу возглавили доктор Уильям Шафер и аспирантка Лидия Риполь-Санчес из Лаборатории молекулярной биологии Совета по медицинским исследованиям в Кембридже (Великобритания) вместе с Петрой Вертеш из Кембриджского университета и Изабель Битс из KU Leuven в Бельгии. Их исследование опубликовано в журнале Neuron 6 ноября.

Изучаемый червь называется C. elegans. Он безвреден, имеет длину около 1 мм и живёт в почве. C. elegans имеет очень простую анатомию, но разделяет многие важные биологические характеристики, которые являются центральными проблемами человеческой биологии.

Доктор Шафер сказал: «Нейропептиды и их рецепторы — одни из самых популярных новых мишеней для нейроактивных препаратов. Например, препарат от диабета и ожирения Wegovy нацелен на рецептор пептида GLP-1. Но то, как эти препараты действуют в мозге на уровне сети, плохо изучено.

Структура нейропептидных сетей предполагает, что они могут обрабатывать информацию иначе, чем синаптические сети. Понимание этого поможет не только понять, как работают лекарства, но и как контролируются наши эмоции и психические состояния.

Идея картирования этих беспроводных сетей была одной из наших целей в течение долгого времени, но только сейчас сошлись нужные люди и ресурсы, чтобы сделать это реально возможным».

Нейропептиды играют критическую роль в длительных биологических реакциях. Эти разнообразные нейропептиды важны для настроения, сексуального поведения, обучения и памяти, сна и зависимости. Они функционируют по всей нервной системе, но также могут действовать на другие типы тканей как гормоны. Окситоцин — один из примеров: он действует на различные цепи в мозге, влияя на связь между родителями и детьми, но также вызывает сокращение мышц матки во время родов. Даже когда нейропептиды действуют в мозге, они могут позволять общаться нейронам, которые не соединены физическими контактами, называемыми синапсами, которые используются классическими нейротрансмиттерами.

Поскольку большинство нейронов, по-видимому, производят как нейропептиды, так и рецепторы к ним, пути коммуникации, образуемые нейропептидами, составляют большие нейронные сети. Эти сети обширны, сложны и критически важны для функционирования мозга. Как таковые, они важны для понимания нейронной основы поведения.

Риполь-Санчес сказала: «Основные механизмы нейропептидной сигнализации общие для всех животных: нейропептиды высвобождаются из плотных везикул в клетках и диффундируют к нейронам, не соединённым с высвобождающей клеткой проводными синапсами.

Нервная система червя анатомически мала, но на молекулярном уровне её нейропептидные системы чрезвычайно сложны, демонстрируя значительные параллели с более крупными животными, а её синаптический коннектом показывает многие черты, консервативные в более крупных мозгах. Мы ожидаем, что нейропептидный коннектом C. elegans послужит прототипом для понимания беспроводной сигнализации в более крупных нервных системах».

Исследователи построили карту, объединив биохимические, анатомические и наборы данных об экспрессии генов, используя их для определения того, какие нейроны могут общаться друг с другом с помощью специфических нейропептидных сигналов. После построения этой сети они использовали теорию графов для анализа её структуры и выявления ключевых топологических особенностей, а также нейронов с важными ролями в связывании разных частей сети.

Помимо создания первой всеобъемлющей карты нейропептидной сигнализации у целого животного, исследователи обнаружили, что беспроводная нейропептидная сеть у C. elegans имеет иную структуру, чем проводные коннектомы. Она более плотная, более децентрализованная и имеет другие ключевые нейроны, или хабы. Сеть также соединяет части нервной системы, которые изолированы в проводном синаптическом коннектоме.

Джо Латимер, руководитель отдела нейронаук и психического здоровья в Совете по медицинским исследованиям, сказала: «Это ещё одна захватывающая и значительная работа коллег из Лаборатории молекулярной биологии MRC и других, дополняющая работу по коннектому исследователей LMB ранее в этом году. Они не только выяснили, какие нейропептиды где действуют в нервной системе животного, но и обнаружили, что сеть сложна, но чётко организована, с содержащейся в ней схемой обработки информации.

Это ещё один важный шаг вперёд в понимании того, как работают мозг и нервные системы, и это углублённое понимание может иметь потенциал для будущей разработки целевых терапий для ряда состояний».

Следующим шагом будет выяснить, применимы ли принципы организации нейропептидных сетей у червей и к более крупным мозгам. Исследователи в настоящее время работают с другими коллабораторами, чтобы картировать беспроводные нейропептидные сети у таких животных, как рыбы, осьминоги, мыши и даже люди.