Учёные одновременно измерили два ключевых сигнала в нейронах живых животных

Исследователи из Университета Кюсю разработали инновационный метод для одновременного неинвазивного измерения двух ключевых сигналов — мембранного потенциала и уровня внутриклеточного кальция — в нейронах бодрствующих животных. Этот новый подход даёт более полное понимание работы нейронов, показывая, что эти два сигнала кодируют разную информацию о сенсорных стимулах. Исследование опубликовано в Communications Biology 16 сентября 2024 года.

Нейроны передают информацию с помощью электрических сигналов. Когда нейрон получает стимул, изменения мембранного потенциала (электрического заряда на клеточной мембране) приводят к его активации и распространению электрического сигнала. Эти изменения потенциала, в свою очередь, вызывают колебания уровня внутриклеточного кальция.

Исторически измерение мембранного потенциала требовало инвазивных методов с использованием электродов. В качестве неинвазивной альтернативы учёные разработали методы измерения кальциевой активности с помощью флуоресцентных белков, чувствительных к ионам кальция. Однако эти разные подходы означали, что два сигнала почти всегда изучались раздельно, что затрудняло понимание их взаимодействия в реальном времени и их отдельных функций в живых организмах.

Новые достижения в разработке флуоресцентных белков, реагирующих на изменения мембранного потенциала, теперь позволяют использовать кальциевые сенсоры и сенсоры напряжения одновременно.

В сотрудничестве с Институтом технологий Кюсю исследователи разработали метод одновременного измерения внутриклеточного кальция и мембранного потенциала в нейронах живых животных. Снимая изображения под микроскопом на высокой скорости — 250 кадров в секунду — и используя передовую обработку изображений, учёные смогли детектировать малые и быстрые колебания флуоресцентного сигнала от обоих типов сенсоров.

Применив эту технику к обонятельным нейронам Caenorhabditis elegans (нематоды, модель в нейронауке), учёные обнаружили, что при воздействии запахов нейроны изменяют и мембранный потенциал, и уровень кальция. Ключевое открытие: эти сигналы кодируют отдельную информацию. Мембранный потенциал указывал на наличие запаха, а уровень внутриклеточного кальция отражал его концентрацию. Одновременное измерение обоих сигналов позволило лучше понять, как мозг обрабатывает и различает сенсорные стимулы.

Кроме того, авторы идентифицировали два ионных канала, необходимых для изменения мембранного потенциала при сенсорной стимуляции. Также было обнаружено, что белок ODR-3, участвующий в передаче сигнала в нейронах, играет важную роль в стабилизации мембранного потенциала. Это предотвращает ложное срабатывание нейронов на нерелевантные стимулы и регулирует время и величину ответа на запахи.

В будущем одновременные измерения можно будет проводить в нейронах более сложных животных, что может раскрыть новые детали кодирования информации в нейронных цепях.