Малый мозг, большая картина: исследование раскрывает микроскопические тайны C. elegans

Новое исследование в Окинавском институте науки и технологий (OIST) позволило собрать воедино картину работы мозга круглого червя Caenorhabditis elegans длиной в миллиметр. Учёные выяснили, что его нейроны способны генерировать потенциалы действия — скачки напряжения при передаче сенсорной информации через клеточную мембрану. Результаты могут улучшить понимание передачи нервных сигналов у этого организма и послужить моделью для изучения обработки нейронной информации у других животных, включая человека.

Учёные из Подразделения биологии обработки информации (IPBU) и Подразделения исследований нейробиологии (NRU) OIST объединили усилия. IPBU владело технологией генетической модификации C. elegans, а NRU имело опыт записи электрических сигналов от крошечных нейронов червя. Хотя ранее считалось, что эти черви не способны генерировать потенциалы действия, профессор Итиро Маруяма (IPBU) получил данные, указывающие на обратное. Для проверки он обратился к профессору Джеффу Уикенсу (NRU) и исследователям Томоми и Маюми Синдоу.

Семь лет спустя работа завершилась публикацией в Scientific Reports 5 марта 2019 года. Ранее общепринятым было мнение, что нейроны C. elegans реагируют только градуированно, аналоговыми сигналами. Данная работа показала, что нейроны генерируют потенциал действия при превышении определённого порога, что является более «цифровым» типом сигнализации.

«Главное, что показывает эта статья, — это то, что изучаемые нами нейроны генерируют потенциалы действия. Теперь мы знаем, что нейроны C. elegans имеют как активную, так и пассивную передачу, и все эти механизмы необходимы для сенсорной обработки даже в самых маленьких нейронах», — сказал Уикенс.

Чтобы наблюдать сенсорную обработку, команда Маруямы наносила соль на кончик носа червя, меняя концентрацию и отслеживая электроактивность нейронов. Они обнаружили, что увеличение концентрации соли сначала затрагивало нейрон в левой части «мозга», вызывая движение вперёд. Уменьшение концентрации активировало нейрон в правой части, заставляя червя двигаться назад.

«Эта пара нейронов имеет одинаковую структуру и название, но совершенно противоположные функции. Использование этих двух нейронов вместе очень эффективно для того, чтобы червь достиг места с предпочтительной концентрацией соли», — пояснил Маруяма.

Разработка миниатюрных методов

Исследование C. elegans — сложная задача: его «мозг» содержит 302 нейрона, в то время как у муравья их 250 000, а у мыши — 75 миллионов. Доктор Томоми Синдоу, ведущий автор статьи, потратил четыре года на разработку методологии и ещё три — на сбор данных.

Учёные из NRU создали остроконечную стеклянную иглу размером менее микрометра. Этой иглой они извлекали клетку мозга червя после его воздействия солью. Этот метод похож на использование пинцета для удаления занозы.

«Лишь несколько лабораторий в мире могут это сделать», — отметил Маруяма.

После извлечения клетки учёные использовали электрофизиологию для измерения изменения напряжения, а также визуализацию кальция. В последнем методе в определённый нейрон вводили сенсорный белок, который начинал светиться (зелёная флуоресценция) при активации нейрона.

«Данные двух тестов идеально совпали», — сказал Маруяма.

Это замечательное открытие опровергает принятую догму о том, что эти черви передают только пассивные сигналы, и открывает путь к улучшенному картированию нейронных связей в будущем.

«У каждого C. elegans одинаковый набор нейронов, соединённых одинаковым образом, в отличие от мозга мыши, который представляет собой джунгли соединений. Если мы сможем лучше понять эту простую нервную систему, для которой у нас есть своего рода принципиальная схема, мы сможем получить представление о том, как работают более сложные мозги в большем масштабе», — заключил Уикенс.