Газета "Наш Мир" Газета «Наш Мир»
Нейробиологам удалось пронаблюдать за изменениями нервных клеток во
время обучения животных. Знание особенностей этого процесса может
существенно помочь в понимании природы памяти, а следовательно, и в
поиске методов лечения различных ее нарушений.
Ученые из
Лангонского медицинского центра при Нью-Йоркском университете
проследили за изменениями в нервных клетках с помощью нового метода,
который еще меньше десяти лет назад казался если не фантастикой, то
чем-то за гранью возможного: исследователи наблюдали отдельные клетки
прямо сквозь череп. Этот метод позволяет разглядывать детали в тысячные
доли миллиметра.
Очевидное – невероятное
Как
проследить за изменениями в мозге животного? Эта проблема является
источником головной боли для нейробиологов во всем мире – ведь даже у
круглого червя C.elegans, снискавшего репутацию одного из наиболее
примитивных животных, можно насчитать свыше 300 нервных клеток, при
этом интересующие ученых изменения могут происходить в любой из них и
затрагивать отросток длиной в сотые доли миллиметра. И это прозрачный
червячок, которого в буквальном смысле слова можно просветить насквозь,
просто положив на источник света.
А если речь идет о мыши, то
перед биологами предстает мозг уже с десятками миллионов нервных
клеток, причем непрозрачный и находящийся внутри черепа. Представьте,
что вам надо, глядя на город из иллюминатора самолета, выяснить, к
примеру, часы работы банковского отделения или устройство коробки
передач автомобиля – перед учеными стоит в общем-то похожая по
сложности задача.
Чтобы ее решить, биологов необходимо извлечь
мозг, заморозить его, а потом послойно изучить под микроскопом. Если
сравнивать мозг животных до и после обучения, то в процессе
исследования можно узнать много интересного. Здесь, правда, придется
смириться с мыслью о неизбежной гибели животного, которое до этого
несколько недель обучали ориентироваться в лабиринте и которое,
возможно, стоит несколько сотен евро. Жалко, безусловно, – но до
недавних пор альтернатив методу не было.
Существенного прогресса
в такого рода исследованиях удалось добиться с помощью… микроскопа,
который заглядывает в мозг сквозь череп и не повреждает его, а дает
картинку с изображением клеток коры головного мозга без вреда здоровью
животного.
Мутанты и лазеры
Уникальная
установка, просвечивающая лазером череп и позволяющая наблюдать нервные
клетки, – это только одна из новых технологий, которые были применены
учеными для исследования памяти. Сам по себе микроскоп в лучшем случае
позволил бы увидеть сложнейшую сеть нейронов, погруженных в глиальную
ткань: вопреки распространенному заблуждению мозг состоит далеко не
только (и даже не столько, если считать по количеству) нервных клеток.
Нейроны окружены множеством клеток, предоставляющих им питательные
вещества и даже наматывающих на нервы слои изоляции. Через все это
проходят кровеносные сосуды, и искать в этом переплетении что-то новое
для науки, даже имея серию снимков, крайне затруднительно.
Потому
в исследовании участвовали не обычные лабораторные мыши, а
генно-модифицированные. В мозгу этих грызунов некоторые нейроны
синтезировали желтый флуоресцентный белок, и потому нервные клетки в
буквальном смысле слова при просвечивании коры лазерным лучом светились
на фоне всех остальных клеток.
Ученым удалось добиться того, что
флуоресцентная метка синтезировалась не всеми нейронами подряд, а
только нейронами из пятого слоя коры. За счет этого биологи увидели
даже не всю кору, а лишь определенный ее слой, который был намечен
заранее. И после того, как мутантные мыши были получены из питомника, а
микроскоп отлажен – начался собственно эксперимент.
Эксперименты
В
первом исследовании мышей учили бегать по вращающемуся цилиндру. Эта
несложная задача тем не менее привела к тому, что у грызунов на
поверхности нейронов в моторной, отвечающей за движения коре начали
формироваться дополнительные отростки, так называемые дендритные
шипики. Исследователи убедились в том, что у сидящих в клетках и не
выпущенных во вращающийся цилиндр мышей такого не наблюдается, и
продолжили наблюдения.
Когда мыши освоили бег по уходящему
из-под их лап валику, процесс появления новых дендритных шипиков у них
прекратился. Ученые сделали вывод о том, что именно шипики обеспечивают
формирование новых контактов с другими нервными клетками, и запустили
тех же мышей бегать на цилиндре дальше. Только на этот раз задом
наперед.
Науке неизвестна реакция грызунов на такой поворот
событий, зато вызванные этим процессом изменения в мозге животного
ученым удалось описать подробно: нейроны моторной коры снова начали
давать новые шипики. То есть гипотеза о том, что изменение задачи
запустит процесс обучения заново, а нервным клеткам придется
перестраиваться, получила подтверждение.
Второй опыт был
сложнее. Животных посадили в нестандартно устроенную клетку, в которой
вместо поддона с опилками на дне, кормушки и поилки висели гирлянды из
шариков. Животным надо было научиться находить питье и корм.
Поскольку
мыши ориентируются прежде всего за счет обоняния (в данном случае
малополезного) и осязания, а зрение у них слабое, то и новые отростки
на нейронах обнаружились в сенсорной коре, причем в области, связанной
с вибриссами – усами животного. У тех мышей, вибриссы которым укоротили
перед опытом, новых дендритных шипиков сформировалось значительно
меньше.
Итоги
О том, что именно
дендритные шипики связаны с формированием памяти, ученые догадывались и
раньше. Но одно дело – сопоставление снимков, полученных уже после
смерти животного, а совсем другое – возможность наблюдать за процессом
вживую, не нарушая работы мозга. Новые технологии позволят
нейробиологам как проверить ряд уже существующих гипотез, так и найти
методы лечения различных заболеваний.
Ведь методами генной
инженерии можно получить и мышь, в мозгу которой будут светиться
характерные для болезни Альцгеймера белковые бляшки. Наблюдая под
микроскопом за развитием заболевания, ученые смогут воочию наблюдать за
действием лекарств, степенью поражения нервных клеток и восстановлением
их под действием эффективных лекарств. Регенерация после инсультов,
применение для терапии стволовых клеток, влияние препаратов, призванных
улучшать память,
– все это можно будет проследить в динамике,
что позволит ускорить не только фундаментальные, но и прикладные
медицинские исследования.
|
