Учёные успешно использовали безвредные вирусы для исследования нервной системы лягушек

Не все вирусы опасны. Некоторые используются в терапии, вакцинации или в фундаментальной науке для модификации клеток и визуализации нейронов в центральной нервной системе (ЦНС) — «центре управления», состоящем из мозга, спинного мозга и нервов.

Теперь этот метод маркировки впервые успешно работает у земноводных. Это показало новое исследование, опубликованное в Developmental Cell международным консорциумом EDGE под совместным руководством лаборатории Свини в Институте науки и технологий Австрии (ISTA) и лаборатории Тошес в Колумбийском университете.

Исследователи разработали новую технику, использующую адено-ассоциированные вирусы (AAV) для отслеживания нервной системы лягушки на протяжении всего её метаморфоза — перехода от ранних стадий головастика к взрослой форме. Это прорыв, который может помочь начать новую эру в нейробиологии земноводных.

Плавание против ходьбы

Лягушки проходят метаморфоз, что делает их отличным модельным организмом для изучения перехода между двумя режимами движения — плаванием и ходьбой. Развитие лягушки длится 12–16 недель, что даёт учёным время для изучения каждой стадии.

За эти недели эмбрион развивается в молодого головастика, головастика с двумя ногами, молодую лягушку с четырьмя ногами и, наконец, во взрослую особь. Изучая эти стадии, можно исследовать локомоторное поведение и лежащие в его основе изменения в нервной системе.

Как устроена «электросхема» лягушки

Нервная система организма — это нейронная цепь, похожая на электрическую. Нейроны связаны друг с другом и передают электрическую информацию. Наше поведение, ощущения и взаимодействие с миром — результат того, как нейроны общаются внутри этих цепей.

Ключевой вопрос — как именно соединена эта цепь: какие нейроны с какими связаны, с какими другими клетками «общается» отдельная клетка и какие сообщения она передаёт.

Чтобы изучить эти связи, исследователи используют вирусы. Адено-ассоциированные вирусы (AAV) идеально подходят для этой цели. Они непатогенны и способны инфицировать широкий спектр типов клеток, включая нейроны.

AAV можно модифицировать так, чтобы они светились ярко-зелёным флуоресцентным цветом под микроскопом, перемещаясь по нейронам — как в ретроградном направлении (назад, от синапса к телу клетки), так и в антероградном (вперёд, от тела клетки к синапсу). Таким образом, AAV могут «подсветить» нейронную цепь от передающего конца к принимающему или наоборот.

«Это обычная техника в нейробиологии, особенно для хорошо изученных организмов, таких как мыши. Для земноводных считалось, что это невозможно», — говорят исследователи. Так было до сих пор.

Сила научной коллаборации

Чтобы метод маркировки AAV заработал у земноводных, учёные объединились в международную команду, в которую вошли исследователи из Колумбийского университета, Тель-Авивского университета, Университета Юты, Исследовательского института Скриппса и Калифорнийского технологического института.

Они проанализировали существующие AAV, чтобы найти подходящие для земноводных, оптимизировали стратегию заражения и в итоге разработали «руководство по применению» для лягушек и тритонов. Работа велась поэтапно: начиная с молодых головастиков, затем — со старшими головастиками, и, наконец, с молодыми и взрослыми лягушками, а также взрослыми тритонами. Инструмент адаптировали под каждый жизненный этап.

Сравнение лягушек с людьми

С помощью новой техники учёным удалось применить AAV для отслеживания нейронных связей у земноводных. Это поможет больше узнать о том, как мозг земноводных сравнивается с мозгом млекопитающих. Кроме того, новый подход открывает двери для дальнейшего анализа развития нейронов.

С некоторыми из отобранных вариантов AAV исследователи могут пометить клетки-предшественники в определённый момент развития цепи и проследить, в какие нейроны они превращаются. «Таким образом мы можем проследить всю цепь по её развитию, увидеть, как она меняется со временем и как строится вся нервная система», — говорит Свини.

Хотя земноводные и млекопитающие разошлись от общего предка около 360 миллионов лет назад, у них есть общие черты. «Сравнивая детали нервной системы лягушки и человека, мы можем увидеть, чего у нас нет и что у нас есть», — продолжает Свини.

Эти знания могут помочь понять, как нервная система человека специализировалась с течением времени. «Чем лучше мы понимаем основные строительные блоки нервной системы, тем больше понимаем, как их можно заменить при болезнях и травмах».