Карта мозга проясняет нейронные связи, лежащие в основе двигательной функции
Сигналы, передаваемые от мозга к двигательным нейронам, обеспечивают движение мышц, но эти сигналы обычно проходят через спинальные интернейроны, прежде чем достигнут своего места назначения. То, как связаны мозг и эта весьма разнообразная группа клеток «оператора коммутатора», изучено плохо.
Чтобы решить эту проблему, ученые из Детской исследовательской больницы Св. Иуды создали атлас всего мозга, визуализирующий области мозга, которые посылают прямые входные сигналы в интернейроны V1, группу клеток, необходимых для движения. Полученный атлас и сопровождающий его трехмерный интерактивный веб-сайт предоставляют основу для дальнейшего понимания анатомического ландшафта нервной системы и того, как мозг взаимодействует со спинным мозгом. Результаты опубликованы в Neuron .
«Мы десятилетиями знали, что двигательная система — это распределенная сеть, но конечный выход осуществляется через спинной мозг», — сказал соавтор Джей Бикофф, доктор философии, кафедра нейробиологии развития в Сент-Джуде. «Там есть двигательные нейроны, которые вызывают сокращение мышц, но двигательные нейроны не действуют изолированно. Их активность формируется сетями молекулярно и функционально разнообразных интернейронов».
Распутывание сети, соединяющей мозг с двигательным выводом
Хотя были сделаны огромные шаги в понимании того, как различные области мозга связаны с различными аспектами двигательного контроля, то, как именно эти области соединяются с определенными нейронами в спинном мозге, было слепым пятном в этой области. Интернейроны трудно изучать, в основном потому, что они существуют в сотнях различных, перемешанных разновидностей.
«Это похоже на распутывание клубка рождественских гирлянд, только это сложнее, учитывая, что то, что мы пытаемся распутать, является результатом более 3 миллиардов лет эволюции», — сказал соавтор исследования, доктор философии Ананд Кулкарни.
Недавние достижения продемонстрировали существование различных на молекулярном и эволюционном уровне подклассов интернейронов, но многое еще неизвестно об их месте в нейронной коммуникации.
«Определение клеточных мишеней нисходящих двигательных систем имеет основополагающее значение для понимания нейронного контроля движения и поведения», — сказал Бикофф. «Нам нужно знать, как мозг передает эти сигналы».
Чтобы препарировать цепи, связывающие головной мозг со спинным мозгом, исследователи использовали генетически модифицированную версию вируса бешенства, на поверхности которой отсутствует ключевой белок — гликопротеин. Это подавило способность вируса распространяться между нейронами.
Это по сути застряло вирус в его зародыше. Повторно вводя этот гликопротеин в определенную популяцию интернейронов, вирус мог совершить один прыжок через синапсы, прежде чем снова застрять. Исследователи использовали флуоресцентную метку для отслеживания вируса. Отслеживая, где вирус оказывается, исследователи могли точно определить, какие области мозга связаны с этими интернейронами.
3D-карта позволяет исследователям визуализировать связи
Исследователи применили этот подход к классу интернейронов, называемых интернейронами V1, которые, как ранее было показано, играют важную роль в формировании двигательного выхода. Работа позволила им точно проследить происхождение множественных сигналов, полученных этими интернейронами, обратно в мозг.
«Мы нацелены только на интернейроны V1, но на самом деле это крайне неоднородная группа нейронов, поэтому мы подумали: «Давайте воздействовать на как можно большее количество V1 и смотреть, что на них проецируется», — сказал Бикофф.
Исследователи обратились к серийной двухфотонной томографии, чтобы визуализировать эти нейроны и создать трехмерный справочный атлас. Эта техника визуализирует мозг, поскольку она делает сотни микронных срезов, чтобы выявить флуоресцентно маркированные нейроны. Атлас позволил исследователям делать точные прогнозы о сети, которая соединяет различные структуры мозга со спинным мозгом и интернейронами, с которыми они взаимодействуют.
Определение того, как эти структуры связаны со спинным мозгом, позволяет исследователям глубже изучить нейронные цепи, контролирующие движение, а прилагаемый веб-атлас обеспечит свободный доступ к данным для всех.
«Мы понимаем, что делают некоторые из идентифицированных областей мозга с точки зрения поведения», — объяснил Бикофф, — «но теперь мы можем выдвигать гипотезы о том, как опосредуются эти эффекты и какова может быть роль интернейронов V1. Это будет очень полезно для этой области в качестве механизма генерации гипотез».