Сидячи за столом в своєму офісі, що в нижній частині кампусу в лабораторії Колд-Спріг-Хабор, невролог Тоні Задор розвернув свій комп’ютерний монітор до слухача, аби показати складний графік у вигляді матриці. Уявіть собі щось подібне до електронної таблиці, яка замість цифр наповнена кольорами різних відтінків та градацій. «Коли я кажу людям, що зобразив зв’язок десятки тисяч нейронів та показав їм це щойно, вони говорять лише «зрозуміло». Але варто мені зробити це…» – він натиснув кнопку та з’явилась тримірна модель мозку. Вона крутилась навколо власної осі, заповнена вузлами та лініями, що не мали ліку. «На цьому моменті всі скрикують «Що за ***!».

Сьогодні мова піде про вченого, який застосовує новий спосіб картування мозку. Нагадаємо, картування – це спосіб нейровізуалізації, під час якого за допомогою маркеру (схожого на контраст) позначають нейрони та складають певну «карту» мозку. Метод картування MAPseq є надією сучасних нейронаук, адже в перспективі він дозволить створити детальну карту мозку, що покаже взаємозв’язки між нейронами. Цим самим ми нарешті приблизимось до отримання відповіді на питання «Як працює мозок?».

Карта, що не залишить байдужим

Задор показував своїм слухачам карту, що зображувала 50 тисяч нейронів кори головного мозку миші. Модель показувала, де знаходились клітини тіла кожного нейрону і куди вони посилали свої довгі гілки аксонів. Нейронна карта подібного розміру та деталізацій не створювалась досі. Відмовившись від традиційного метода картування мозку, який включає маркування нейронів за допомогою флуоресценції, Задор застосував незвичайний підхід, що ґрунтується на давній традиції дослідження в області молекулярної біології в Колд-Спрінг-Хабор на Лонг-Айленді. Він використав біти інформації по генотипу для додавання унікальної послідовності РНК або «штрих-коду» в кожен окремий нейрон.

Для того, аби побудувати подібну модель, він додав в кожен нейрон унікальну послідовність РНК, що працювала ніби штрих-код для зчитування нейрону (були використання біти геномної інформації для додавання). Після цього він поділив мозок на куби, ніби листове тісто та помістив шматочки в секвенатор ДНК (він відображає в текстовому вигляді порядок амінокислот з  ДНК). В результаті він отримав 3-Д візуалізацію (рендендінг) 50 000 нейронів кори миші, в якій ми можемо роздивитись кожну клітину.

В своїй статті він з колегами показує, що метод MAPseq (мультиплексний аналіз проекцій за допомогою секвенування), може бути використаний для пошуку нових типів клітин та моделей проекцій, які не можна було побудувати досі. Однак даний картографічний метод сильно конкурує по точності з флуоресцентною технологією, бо краще всього підходить для роботи с невеликою кількістю нейронів.

Як ця ідея стала можливою?

Тоні Задор вивчає «слухові рішення мозку» у гризунів: як їх мозок чує звуки, опрацьовує аудіоінформацію та визначає поведінкову реакцію або дію. Електрофізіологічні записи та інші традиційні інструменти не задовольнили його наукові прагнення. Задор стверджує що ми недостатньо розбираємось в схемах нейронів, саме тому він працює над створенням інструментів для візуалізації мозку.

Які карти мозку створювались досі?

Сучасний результат картографування мозку втілений в Атласі мозку Алена. На його створення витратили декілька років та більше 25 мільйонів доларів. Даний атлас відомий тим, що він відслідковує відомі субпопуляції нейронів та їх проекції в вигляді груп. І хоч це надзвичайно корисно для досліджень, однак не дозволяє розрізнити тонкі відмінності всередині груп та субпопуляціях нейронів.

Якщо одного разу нам захочеться зрозуміти, як мозок миші опрацьовує звук, аби зрозуміти його як сигнал про нагороду у вигляді напою, а потім ще запам’ятовує цей звук на майбутнє, аби згадати про смачний напій – нам необхідно буде почати розуміти шлях імпульсу так, ніби це маршрут на гугл картах, і створити карту-схеми з’єднання та взаємозв’язку нейронів в мозку. Зандор вважає, що саме нестача подібних знань призводить до складнощів у лікуванні психіатричних розладів. Також він пояснює, що саме через це штучний інтелект не вражає розумом.

Юстус Кебшулл, нейробіолог з Стенфордського університету, автор іншої статті в Nature і колишній аспірант в лабораторії Задора, зазначив, що займатися неврологією, не знаючи про схему роботи мозку, – це все одно, що «намагатися зрозуміти, як працює комп’ютер, дивлячись на нього з боку, вставляючи електрод і перевіряючи, що ми можемо знайти. … Навіть не знаючи, що жорсткий диск підключений до процесора, а USB-модуль забезпечує вхід для всієї системи, важко зрозуміти, що відбувається ».

Як з’явився MAPseq

Задора надихнула на наукові пошуки техніка картування мозку Brainbow. Цей метод з’явився в лабораторії Джеффа Ліхтман в Гарвардському університеті. За допомогою методу вчені генетично позначали до 200 окремих нейронів одночасно, використовуючи різні комбінації флуоресцентних барвників. В результаті вони отримували  багатобарвну таблицю нейронів неонового кольору, яка детально відображала складне змішання аксонів і тіл нейронів. Новаторська робота дала надію, що картування коннектому – повного плану нейронних зв’язків у мозку – скоро стане реальністю. На жаль, обмеження методу на практиці полягає в тому, що за допомогою мікроскопа експериментатори могли розміщувати тільки близько 5-10 різних кольорів, а цієї кількості недостатньо для проникнення в клубок нейронів в корі і зіставлення безлічі нейронів одночасно.

Саме тоді в голові Задора з’явилась ідея. Він усвідомив, що проблема величезної складності коннектома можна вирішити, якби дослідники могли використовувати зростаючу швидкість і зниження витрат на високопродуктивні методи геномного секвенування. «Це те, що математики називають зведенням його до раніше вирішеної проблеми», – пояснив він.

Метод «зведення до вже вирішеного» – здатність бачити в існуючій задачі ті задачі, які вже були виконані та використання результатів виконаних задач

Під час MAPseq дослідники вводять тварині генетично модифіковані віруси, які несуть різні відомі послідовності РНК або «штрих-коди». Протягом тижня або більше віруси розмножуються всередині тварини, заповнюючи кожен нейрон певною комбінацією цих штрих-кодів. Коли дослідники розрізають мозок на ділянки, штрих-коди РНК можуть допомогти їм відслідковувати окремі нейрони від слайда до слайда.

В результаті, вийшла стаття, де Задор описував 600 нейронів в зоровій системі миші.

Шістсот нейронів – це скромний початок в порівнянні з десятками мільйонів в мозку гризуна. Але цього цілком вистачало для конкретної мети, яку мали дослідники: вони намагалися визначити, чи вдасться розрізнити структуру узору еклектичного імпульсу, певну схема роботи мозку, яка могла б розповісти про її функцію. Для цього застосували перевірку наступної тези. В даний час популярною теорією є те, що в зоровій корі окремий нейрон збирає певну частину інформації від ока – наприклад, про край об’єкта в поле зору або типі руху або просторової орієнтації. Потім нейрон посилає сигнал в одну відповідну область мозку, яка спеціалізується на обробці цього типу інформації.

Щоб перевірити цю теорію, команда спочатку нанесла на карту жменьку нейронів у мишей традиційним способом, тобто помістивши генетично закодований флуоресцентний барвник в окремі клітини. Потім за допомогою мікроскопа вони простежили, як  ланцюг клітин розтягується від первинної зорової кори (області мозку, яка отримує дані від очей) до їх кінцевих точок в інших частинах мозку. Вони виявили, що аксони нейронів розгалужуються і відправляють інформацію у багато областей одночасно, спростовуючи теорію зіставлення «один до одного».

Потім вчені задались питанням, чи є які-небудь закономірності в цих проекціях. Вони використовували MAPseq для відстеження проекцій 591 нейрона, оскільки вони розгалужувалися і інервували (забезпечували нервовими клітинами) кілька цілей. Команда помітила, що розподіл аксонів відбувався структуровано: деякі нейрони завжди посилали аксони в області A, B і C, але ніколи, наприклад, не в D і E.

Ці результати дозволяють припустити, що візуальна система містить запаморочливий рівень перехресних з’єднань і що структура цих сполук складніша, ніж зіставлення «один до одного». «Вищі візуальні області не просто отримують інформацію, спеціально призначену для них», – сказав Кебшулл. Замість цього вони використовують одні і ті ж вхідні дані, «тому їх обчислення можуть бути пов’язані один з одним».

Проте, той факт, що певні клітини проектуються в певні області, також означає, що в зоровій корі є спеціалізовані клітини, які ще не були ідентифіковані. Кебшулл зазначив, що отримана карта схожа на план, який дозволить наступним дослідникам зрозуміти, що за функції виконують ці клітини.

Переваги та перспективи MAPseq

Перевага методу MAPseq полягає в швидкості та економності застосування: планується, що мікрокартування 100 000 нейронів займе біля тижня-двох всього за 10 000 доларів.

Такі переваги дозволять більш ефективно зіставляти і порівнювати різноманітні нейронні шляхи. Дослідження таких станів, як шизофренія і аутизм, які, як вважається, виникають через відмінності в мозкових зв’язках, часто розчаровують дослідників, оскільки доступні інструменти не фіксують вдосталь деталей нейронних зв’язків. Цілком можливо, що дослідники зможуть відобразити мишачі моделі цих станів та порівняти їх з більш типовим мозком, що спровокує нову хвилю досліджень. «Безліч психічних розладів викликані проблемами на схем, шляху нервового імпульсу», – відмітив Хонгкуі Цзенг, виконавчий директор структурного наукового підрозділу Інституту наук про мозок Аллена. «Інформація про взаємозв’язок та полілог нейронів скаже вам, де шукати».

Картографування з високою пропускною здатністю також дозволяє вченим збирати багато неврологічних даних і шукати шаблони, які відображають загальні принципи роботи мозку. Подібно до того, як карта геному людини надала основу для перевірки гіпотез і пошуку закономірностей в послідовності і функції [гена], метод MAPseq міг би зробити те ж саме для архітектури мозку.

Детальна карта геному людини не відразу пояснила всі загадки біології, але вона дала список біомолекулярних частин і відкрила шлях для трансформаційних досліджень. Аналогічно, в своєму нинішньому стані розвитку MAPseq не може надати будь-яку інформацію про функції або розташуванні осередків, які він позначає, або показати, які клітинки спілкуються один з одним. Проте, Задор планує додати цю функціональність найближчим часом. Він також співпрацює з вченими, які вивчають різні частини мозку, наприклад нервові ланцюги, які лежать в основі формування страху. Тому ми можемо бути переконані, що вже скоро вчені зможуть розповісти більше про взаємозв’язок нейронів та схема-карту проходження імпульсів.

Ця стаття є адаптованим перекладом оригінального викладу