Ученые Солка открывают функции и связи трех типов клеток в головном мозге.

Ученые Солка открывают функции и связи трех типов клеток в головном мозге.

Использование генетических инструментов для исследования типов клеток проливает свет на то, как мозг обрабатывает визуальную информацию.

ЛА-ХОЛЬЯ. То, как функционирует мозг, до сих пор остается загадкой: ученые даже не уверены, сколько типов нервных клеток существует в мозге. Чтобы понять, как работает мозг, им нужно знать не только, какие типы нервных клеток существуют, но и то, как они работают вместе. Исследователи из Института Солка стали на один шаг ближе к разгадке этого черного ящика.

Используя передовую визуализацию и генетические методы, команда обнаружила новый подтип нервных клеток или нейронов в зрительной коре. Группа также подробно описала, как новая клетка и два похожих нейрона обрабатывают изображения и соединяются с другими частями мозга. Изучение того, как мозг анализирует визуальную информацию на таком детальном уровне, однажды может помочь врачам понять элементы таких расстройств, как шизофрения и аутизм.

«Понимание этих типов клеток является еще одной частью головоломки, раскрывающей нейронные цепи в мозге, цепи, которые в конечном итоге будут иметь значение для неврологических расстройств», — говорит он. Эдвард Каллауэй, профессор Солк и старший автор статьи, опубликованной 6 декабря в журнале Нейрон.

Раскрытие деталей работы мозга было медленной задачей. Исторически ученые использовали окраску, чтобы показать, что различные нейроны имеют различную форму и, вероятно, представляют собой разные типы клеток. Тем не менее, истинное количество типов нейронов в мозге остается загадкой. Каллауэй сравнивает задачу раскрытия связей и функций нейронов с интеллектуальным наблюдением. Двадцать лет назад технология отслеживания связей между различными нейронами в мозге была примерно такой же сложной, как съемка группы людей на углу города, разговаривающих по мобильным телефонам: каждый человек разговаривает с другим, но человек на другом конце разговора может быть в квартале или по всей стране. Содержание разговоров было бы невозможно вывести.

«Подобно тем разговорам по мобильному телефону, каждый тип нейрона связан только с определенными другими типами нейронов, но это может быть клетка в любом другом месте мозга», — говорит Каллауэй. Новые модели мышей и другие технологии, разработанные за последние пять лет, предлагают такие же мощные картографические инструменты, как прослушивание телефонов, что позволяет ученым отслеживать, «какие типы нейронов, какие типы клеток общаются друг с другом и о чем они говорят, " он сказал.

В своей новой статье Каллауэй и его коллеги решили эти вопросы, выборочно генетически манипулируя определенными типами клеток на животных моделях, чтобы визуализировать размер, форму и электрическую активность, уникальную для отдельных типов нейронов.

Три типа нейронов, которые изучала команда, являются частью более крупной классификации нейронов, называемых возбуждающими пирамидными (названными по их форме) нейронами, и играют важную роль в коре головного мозга. Хотя все эксперименты были проведены в зрительной коре мышей, одни и те же типы нейронных клеток, вероятно, существуют и играют схожие роли в мозге многих животных, включая человека.

«Раньше у людей не было очень хороших инструментов для маркировки или изучения конкретных типов пирамидных клеток в мозге бодрствующих мышей. Но с помощью этой передовой визуальной технологии мы могли видеть активность клеток и то, как каждый тип клеток может обрабатывать разные виды информации для разных целей», — сказал Юйсок Ким, первый автор исследования. Нейрон бумаги и научного сотрудника Солка.

Ученые Солка использовали специальные методы визуализации, чтобы показать, как и когда три типа клеток активируются в ответ на различные изображения, демонстрируемые живой мыши. Чтобы проследить нейронную цепь новой клетки, команда использовала модифицированный метод вируса бешенства, изобретенный в лаборатории Каллавея, чтобы картировать связи между тремя типами нейронов и клетками в остальной части мозга.

Комбинация двух тестов визуализации нарисовала картину функций различных нейронов.

Два типа нейронов, которые были чувствительны к подробной пространственной информации в зрительных тестах, также были сопоставлены с частями мозга, ответственными за анализ различных битов информации. Точно так же было показано, что нейроны, которые реагировали на направление и скорость в зрительных тестах, по-разному связаны с частями мозга в эксперименте по картированию бешенства.

«Это не случайность, что определенный тип клеток реагирует на быстро движущиеся стимулы, потому что эти нейроны связаны с частью мозга, которая отвечает за управление движением глаз», — говорит Каллауэй, которая также является заведующей кафедрой Одри Гейзеля в Институте. «Выходы соответствуют функции схемы».

Каллауэй ожидает, что будущие эксперименты, вероятно, определят еще больше функций этих нейронов.

«Теперь, когда у нас есть такое понимание этих нейронов, это приводит к новым гипотезам и новым идеям о том, что делают нейроны», — говорит Каллауэй. «Мы можем поставить новые эксперименты с этими типами клеток и посмотреть, как это изменит поведение мышей».

Изучение того, как типы клеток связаны и функционируют в различных обстоятельствах, может в конечном итоге помочь объяснить, что идет не так в различных состояниях, таких как аутизм и шизофрения.

«Частью мозга, которую мы изучали, была зрительная кора, но типы клеток, которые мы изучаем, также обнаружены в любой другой части коры головного мозга, например, в областях, участвующих в двигательных или когнитивных функциях», — добавляет Каллауэй.

Среди других авторов Эшли Джуавинетт, Эспоир Кьюбва и Мэтью Джейкобс из Института Солка.

Эта работа финансировалась NIH, Благотворительный фонд Гэтсби, Национальный научный фонд, Фонд Мартине, Стипендия Гиллиама в Медицинском институте Говарда Хьюза и Программа подготовки медицинских ученых Калифорнийского университета в Сан-Диего.