Мозг данной нам 7-дневной личинки Данио-рерио сияет флуоресцентными маркерами, которые были на генном уровне изменены для освещения ее нейронной активности.| Скотт Файзер, Институт Южной Калифорнии
Мозг постоянно вызывал энтузиазм у ученых, но современный мир существенно усилил этот энтузиазм. Вправду, рост распространенности нейродегенеративных болезней, независимо от их предпосылки, неизбежен в связи со старением населения и неблагоприятными экологическими факторами. Эти заболевания оказывают существенное воздействие на свойство жизни нездоровых, также членов их семей. Не считая того, повышение числа травматических событий в крайние годы (терроризм, COVID-19) может содействовать появлению посттравматического стрессового синдрома, связанного с шокирующими мемуарами. Осознание нейронной базы памяти и обстоятельств ее нефункциональности является сейчас одной из важных задач нейронауки. Исследования в данной нам области существенно расширились, но визуализация и картирование синапсов до недавнешнего времени были невозможны. Не так давно ученым удалось в режиме настоящего времени визуализировать процесс формирования мемуаров в мозгу {живых} рыб. И приобретенные результаты ставят под колебание нашу теорию памяти.
В текущее время обширно признано, что мемуары формируются в итоге конфигураций в связях, либо синапсах, меж нейронами. Конкретно Сантьяго Рамон-и-Кахал (1852-1934), испанский доктор и невролог, в первый раз обрисовал эту компанию мозга в 1888 году, известную как “теория нейронов”. Крайнее относится к базовому представлению о том, что нейроны — это главные структурные и многофункциональные единицы нервной системы, состоящие из тела клеточки, аксона и дендритов. С. Рамон-и-Кахаль, получивший за свое открытие Нобелевскую премию по медицине в 1906 году, считается одним из основоположников современной нейронауки.
Тем не наименее длительное время мы считали, что взрослый мозг не может создавать новейшие нейроны, как отметил С. Рамон-и-Кахаль в 1914 году: “Нервные пути — это нечто фиксированное, конечное и постоянное; все может умереть, ничто не может возродиться”. Это казалось логичным, беря во внимание отлично изученную компанию мозга взрослого человека. Конкретно Джозеф Альтман из Массачусетского технологического института (MIT) в 1960-х годах опубликовал 1-ые исследования, показывающие создание новейших нейронов в мозге взрослых морских свинок. Сначала его игнорировали, и лишь в 1990-х годах к нему стали относиться серьезно, и начали поступать новейшие свидетельства. Родилась теория нейронной пластичности.
С того времени неврологи пробуют осознать физические конфигурации, связанные с формированием памяти. Но они не могут получить изображение всего мозга с довольно высочайшим разрешением, чтоб узреть синапсы, поперечник которых составляет всего одну сотую часть людского волоса. МРТ, ЭЭГ и даже имплантированные электроды могут отдать только необработанные данные о мозговой деятельности.
Новенькая техника визуализации
Скотт Фрейзер, Дон Арнольд и Карл Кессельман, междисциплинарная группа выдающихся исследователей из Института Южной Калифорнии, стремятся поменять эту ситуацию. В 2015 году они получили исследовательский грант в размере 9,7 млн баксов США от Государственного института здоровья, чтоб провести 1-ое прямое исследование {живых} синапсов в неповрежденном мозге. Для данной нам цели они избрали Данио-рерио: так как ее мозг прозрачен, ее легче визуализировать. Это позволило им проанализировать синаптические конфигурации в процессе сотворения памяти. Этот вид также довольно велик, чтоб показать те же трудности, механизмы и заболевания, что и человечий мозг, включая психологические заболевания, что делает приобретенные результаты животрепещущими для неврологов и остальных исследователей в области здравоохранения.
В качестве первого шага Арнольд, нейробиолог из USC Dornsife и доктор био наук и биомедицинской инженерии, разработал новейшие способы модификации ДНК рыбы таковым образом, чтоб сила и размещение синапса были отмечены флуоресцентным белком, который сияет при сканировании лазером. Он гласит: “Наши зонды могут маркировать синапсы в живом мозге, не изменяя их структуру либо функцию, что было нереально при использовании прошлых инструментов”.
На втором шаге Фрейзер, старший доктор био наук и биомедицинской инженерии в USC Michelson, выстроил мощнейший микроскоп со световым листом, оптимизированный для изображения синапсов, которые маркировала команда Арнольда.
Микроскопия светового листа базирована на ординарном принципе: свет, освещающий наблюдаемый био объект, больше не является цилиндрическим лазерным лучом, а имеет форму листа шириной в несколько микрометров. Этот лист света размещается перпендикулярно объективу, который регистрирует флуоресценцию, испускаемую объектом. Таковым образом, как и на виртуальном слайсере, движение объекта в этом световом полотне дозволяет созодать оптические срезы на хоть какой глубине эталона. При объединении изображений выходит трехмерная визуализация, позволяющая узреть объект во всей его полноте. Фрейзер гласит: “Мы используем огромное количество разных лазеров. Мы можем применять один цвет, чтоб узреть форму нейрона, а иной — чтоб узреть активность нейронов в клеточках”.
Микроскопичное изображение мозга Данио-рерио. Мелкие зеленоватые точки — это синапсы. Наиболее большие зеленоватые точки — это ядра нейронов. Дон Арнольд/Институт Южной Калифорнии.
На 3-ем шаге Кессельман, директор отдела компьютерных наук Института информационных наук Института Южной Калифорнии, разработал методы, которые будут определять, сортировать и хранить приобретенные данные.
При помощи этого инноваторского микроскопа они смогли следить за переменами в {живых} организмах звериных и получать изображения конфигураций до и опосля в одном и том же образчике. Ранее, так как опыты проводились на мертвых экземплярах, они могли ассоциировать лишь два различных мозга, один из которых был условным, а иной нет.
Изумительные результаты
Опосля 6 лет работы исследователи наконец получили 1-ые “снимки памяти” живого звериного. Результаты были размещены в журнальчике PNAS.
Для измерения синаптических конфигураций, когда Данио-рерио запоминает, ученые употребляли некие из традиционных инструментов, используемых психологами для измерения обучения и памяти, узнаваемых как традиционное обусловливание.
А именно, в течение 12 дней команда учила рыб сравнивать включенный свет с нагреванием головы инфракрасным лазером. Потом рыба попробовала уйти из данной нам неудобной ситуации. Рыбы, которые научились сравнивать свет с приближающимся лазером, виляли хвостами, демонстрируя, что они научились.
Визуализируя синапсы рыбы до, во время и опосля опыта обучения, команда смогла следить и фиксировать значимые конфигурации в мозгу рыбы. Буквально так же исследователи проследили синаптические конфигурации, вызванные потерей памяти — пару раз мигая светом, но не сопровождая это ударом тока, — так что рыба больше не помнила о связи меж светом и дискомфортом.
Основной вывод из анализа этих изображений состоит в том, что, вопреки устоявшейся догме, память не изменяет силу имеющихся синапсов. Кессельман разъясняет: “В течение крайних 40 лет принятым было то, что мы обучаемся, изменяя силу синапсов, но это не то, что мы нашли в этом случае”.
Карта мозга Данио-рерио, показывающая конфигурации в синапсах опосля формирования памяти. Зеленоватый цвет обозначает утраченный синапс, а желтоватый — новейший синапс. Красноватая линия делит области мозга, в каких преобладают приобретения либо утраты. Дон Арнольд, Институт Южной Калифорнии
Считается, что память работает по принципу “отталкивания”. Иными словами, когда создается память, синапсы в одной части мозга разрушаются, а в иной части мозга создаются совсем новейшие синапсы.
Данные доступны для всех
Принципиальным моментом в этом исследовании является рвение исследователей сделать все данные опыта очень прозрачными и воспроизводимыми. Любая часть данных, связанных с данной нам статьей, доступна для поиска и хоть какого ученого на веб-сайте Mapping the Dynamic Synaptome. Это сделалось вероятным благодаря Кессельману, который гласит: “Я сделал всеохватывающую систему, созданную для обмена и анализа данных. Это было полезно в наших опытах, потому что команды могли получить доступ к данным в хоть какое время, и это будет управлением для тех, кто захотит применять нашу работу в дальнейшем”.
Перспективные результаты для мед нововведений
Таковым образом, приобретенные результаты разрешают представить, что конфигурации в количестве синапсов кодируют мемуары и могут посодействовать разъяснить, почему нехорошие ассоциативные мемуары, к примеру, связанные с посттравматическим стрессом, так устойчивы. Арнольд гласит: “Мы лицезрели только маленькие случайные конфигурации в синаптической силе имеющихся синапсов. Это быть может соединено с тем, что данное исследование было сосредоточено на ассоциативных мемуарах”. Вправду, этот тип памяти еще наиболее надежен, чем остальные виды памяти. Она формируется в миндалине, центре регуляции ужаса, в то время как остальные мемуары хранятся в гиппокампе. Но этот тип ассоциативной памяти, хотя и всераспространен, не весьма отлично исследован, частично поэтому, что он происходит в относительно труднодоступной области мозга.
По данной нам причине создатели выдвинули догадку, что мозг может хранить определенные типы мемуаров в неуравновешенной и просто стираемой форме, в то время как мемуары, связанные со ужасом и чувствами, хранятся наиболее накрепко. Это может посодействовать разъяснить, почему спустя годы некие люди могут вспомянуть что-то, как как будто поновой переживая это.
Последующими целями являются, с одной стороны, попробовать вызвать резвое и четкое удаление синапсов без повреждения нейронов у рыбок данио либо мышей, чтоб узреть, изменяет ли это ассоциативную память. С иной стороны, исследователи попробуют изучить, как у рыбок данио и остальных звериных формируются наименее чувственные либо наименее травмирующие мемуары. Если результаты будут положительными, то они подтвердят возможность физического стирания ассоциативных мемуаров, связанных с посттравматическим стрессом. Разумеется, что есть суровые этические и технические препятствия, которые нужно решить за длительное время до того, как таковой способ будет разработан для людей.
Но Клифф Абрахам, доктор психологии Института Отаго в Новейшей Зеландии, отмечает один маленькой аспект. Как и у людей, мозг этих рыб деградирует с годами. Результаты, приобретенные на юных рыбах, могут быть не схожи результатам, приобретенным на взрослых рыбах с стопроцентно развитым мозгом.
В любом случае, этот технологический подвиг открывает новейшие перспективы для исследования нейродегенеративных болезней, таковых как болезнь Альцгеймера, и осознания мемуаров, вызывающих посттравматические стрессовые расстройства.
Источник
Читайте далее:
