Нейробиологи декодируют активность мозга червя

Мануэль Циммер и его команда из Института молекулярной патологии (IMP) представили новые данные об активности мозга круглого червя Caenorhabditis elegans. Учёные смогли показать, что клетки мозга (нейроны), организованные в обще-мозговую сеть, хотя и выполняют разные функции, координируют свою деятельность коллективным образом. Они также смогли напрямую связать эти скоординированные активности в мозге червя с процессами, генерирующими поведение. Результаты исследования представлены в текущем выпуске журнала Cell.

Одна из главных целей нейробиологии — понять, как функционирует мозг в целом и как он генерирует поведение. Главная сложность заключается в огромной сложности нервных систем. Например, мозг мыши состоит из миллионов нейронов, связанных друг с другом крайне сложным образом. В отличие от этого, нематода Caenorhabditis elegans обладает нервной системой, состоящей всего из 302 нейронов. Благодаря простоте работы с ним и особенностям развития, этот крошечный прозрачный червь стал одним из важнейших модельных организмов в фундаментальных исследованиях. Список связей между отдельными нейронами известен уже почти 30 лет. Несмотря на малое число нейронов, его нейронные сети обладают высокой сложностью и обеспечивают сложное поведение, что делает червя идеальным объектом для изучения функций мозга.

Взаимодействие групп нейронов в обще-мозговых сетях

Исследователи в основном концентрировались на изучении функций отдельных нейронов или небольших групп и их взаимодействий для объяснения поведения, такого как движение. Для червя было известно, как работают некоторые отдельные нейроны как изолированные единицы в сети, но оставалось неясным, как они работают вместе как группа. Мануэль Циммер, руководитель группы в IMP, хотел решить этот нерешённый вопрос. Вместе с командой он объединил две передовые технологии для текущего исследования: во-первых, учёные использовали методы 3D-микроскопии для одновременного и быстрого измерения активности разных регионов мозга; во-вторых, они использовали генетически модифицированных червей с флуоресцентным белком, который заставлял нейроны червя вспыхивать при их активности. «Это сочетание было для нас блестящим, так как позволило получить запись активности всего мозга с разрешением на уровне отдельных клеток в реальном времени», — объясняет Циммер преимущества этого подхода.

Чтение мыслей червя

Циммер и его команда тестировали реакцию животных на внешние стимулы, когда те пытались найти пищу. Под микроскопом исследователям открылась увлекательная картина: «Мы увидели, что большинство нейронов постоянно активны и координируются друг с другом в масштабах всего мозга. Они действуют как ансамбль», — объясняет постдок Саул Като, который возглавлял исследование вместе с аспирантами Харрисом Капланом и Тиной Шрёдель. Животные были обездвижены для этих экспериментов, поэтому их реакции представляли собой намерения, а не отражали фактическое движение.

С помощью другой техники микроскопии, настроенной на свободно движущихся червей, учёные смогли обнаружить нейроны, инициирующие движение. Была обнаружена прямая корреляция между активностью определённых сетей и импульсом к движению; таким образом, Циммер и его коллеги буквально могли наблюдать, как червь «думает». Эта сетевая активность представляла не только короткие движения, но и их сборку в более длительные поведенческие стратегии, такие как поиск пищи. «Это то, чего раньше никому не удавалось сделать», — подчёркивает Циммер. Предположения о похожих паттернах нейронной активности были найдены у высших животных, но до сих пор одновременно можно было исследовать лишь часть нейронов в субрегионах мозга. Поэтому Циммер и его коллеги уверены, что их результаты отражают базовые принципы работы мозга, даже несмотря на то, что червь лишь отдалённо родственен млекопитающим.

Исследование молекулярных механизмов

Многие вопросы в области нейробиологии остаются в значительной степени нерешёнными, например, как принимаются решения или работает ли мозг формальным алгоритмическим образом, подобно компьютеру. На следующем этапе исследований Мануэль Циммер намерен проанализировать молекулярные механизмы, лежащие в основе изученных процессов. «Также было бы интересно пристальнее взглянуть на длительные состояния мозга, такие как сон и бодрствование», — говорит он, описывая свои амбициозные планы на будущее.