[ad_1]
Используя новый зонд для функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ), инженеры-биологи Массачусетского технологического института разработали способ мониторинга отдельных популяций нейронов и выявления того, как они взаимодействуют друг с другом.
Подобно тому, как механизмы часов взаимодействуют определенным образом, чтобы поворачивать стрелки часов, различные части мозга взаимодействуют для выполнения различных задач, таких как формирование поведения или интерпретация окружающего мира. Новый зонд МРТ потенциально может позволить ученым составить карту этих сетей взаимодействий.
«При обычной фМРТ мы видим работу всех шестеренок одновременно. Но с нашей новой техникой мы можем выделить отдельные шестерни, которые определяются их отношением к другим шестерням, и это очень важно для построения картины механизма мозга», — говорит Алан Джасанофф, профессор биологической инженерии Массачусетского технологического института. мозг и когнитивные науки, а также ядерная наука и инженерия.
Используя этот метод, который включает в себя генетическое нацеливание датчика МРТ на определенные популяции клеток в моделях животных, исследователи смогли идентифицировать нейронные популяции, участвующие в цепи, которая реагирует на вознаграждающие стимулы. Исследователи говорят, что новый МРТ-зонд может также позволить исследовать многие другие мозговые цепи.
Ясанофф — старший автор исследования, опубликованного сегодня в Неврология природы. Ведущими авторами статьи являются недавний доктор наук Массачусетского технологического института Супарно Гош и бывший научный сотрудник Массачусетского технологического института Нан Ли.
Отслеживание связей
Традиционная фМРТ-визуализация измеряет изменения кровотока в головном мозге в качестве косвенного показателя нейронной активности. Когда нейроны получают сигналы от других нейронов, это вызывает приток кальция, который вызывает выделение диффундирующего газа, называемого оксидом азота. Оксид азота частично действует как сосудорасширяющее средство, которое увеличивает приток крови к пораженной области.
Непосредственная визуализация кальция может дать более точную картину мозговой активности, но для этого типа визуализации обычно требуются флуоресцентные химические вещества и инвазивные процедуры. Команда Массачусетского технологического института хотела разработать метод, который мог бы работать через мозг без такого рода инвазивности.
«Если мы хотим выяснить, как функционируют сети клеток и механизмы всего мозга, нам нужно что-то, что можно обнаружить глубоко в тканях и, предпочтительно, во всем мозге сразу», — говорит Джасанофф. «Способ, который мы выбрали для этого в этом исследовании, заключался в том, чтобы по существу захватить молекулярную основу самой фМРТ».
Исследователи создали генетический зонд, доставляемый вирусами, который кодирует белок, который посылает сигнал всякий раз, когда нейрон активен. Этот белок, который исследователи назвали NOSTIC (синтаза оксида азота для нацеливания на контрастность изображения), представляет собой сконструированную форму фермента, называемого синтазой оксида азота. Белок NOSTIC может обнаруживать повышенные уровни кальция, возникающие во время нервной активности; затем он генерирует оксид азота, что приводит к искусственному сигналу фМРТ, который возникает только от клеток, содержащих NOSTIC.
Зонд доставляется вирусом, который вводится в определенный участок, после чего он перемещается по аксонам нейронов, которые соединяются с этим участком. Таким образом, исследователи могут пометить каждую нейронную популяцию, которая поступает в определенное место.
«Когда мы используем этот вирус для доставки нашего зонда таким образом, он вызывает экспрессию зонда в клетках, которые обеспечивают ввод данных в место, куда мы помещаем вирус», — говорит Джасанофф. «Затем, выполняя функциональную визуализацию этих клеток, мы можем начать измерять то, что вызывает ввод данных в эту область, или какие типы ввода поступают в эту область».
Включение передач
В новом исследовании исследователи использовали свой зонд для маркировки популяций нейронов, которые проецируются в полосатое тело, область, которая участвует в планировании движения и реакции на вознаграждение. У крыс они смогли определить, какие нервные популяции посылают входные данные в полосатое тело во время или сразу после вознаграждающего стимула — в данном случае это глубокая стимуляция латерального гипоталамуса, мозгового центра, который, среди прочих функций, участвует в аппетите и мотивации. .
Один из вопросов, который возник у исследователей по поводу глубокой стимуляции мозга латерального гипоталамуса, заключается в том, насколько обширны эффекты. В этом исследовании команда Массачусетского технологического института показала, что несколько нейронных популяций, расположенных в областях, включая моторную кору и энторинальную кору, которые участвуют в памяти, посылают входные данные в полосатое тело после глубокой стимуляции мозга.
«Это не просто вход из места глубокой стимуляции мозга или из клеток, несущих дофамин. Есть и другие компоненты, как дистальные, так и локальные, которые формируют ответ, и мы можем определить их, благодаря использованию этого датчика», — говорит Ясанофф.
Во время этих экспериментов нейроны также генерируют регулярные сигналы фМРТ, поэтому, чтобы отличить сигналы, которые исходят именно от генетически измененных нейронов, исследователи проводят каждый эксперимент дважды: один раз с включенным зондом и один раз после лечения препаратом, который ингибирует зонд. Измеряя разницу в активности фМРТ между этими двумя состояниями, они могут определить, какая активность присутствует конкретно в клетках, содержащих зонд.
Теперь исследователи надеются использовать этот подход, который они называют гемогенетикой, для изучения других сетей в мозге, начиная с попытки определить некоторые области, которые получают информацию от полосатого тела после глубокой стимуляции мозга.
«Одна из захватывающих вещей в подходе, который мы представляем, заключается в том, что вы можете представить себе применение одного и того же инструмента во многих участках мозга и соединение воедино сети взаимосвязанных механизмов, которые состоят из этих взаимосвязей ввода и вывода», — Джасанофф. говорит. «Это может привести к широкому взгляду на то, как мозг работает как единое целое на уровне нейронных популяций».
Исследование финансировалось Национальным институтом здравоохранения и Центром изучения социального мозга Саймонса при Массачусетском технологическом институте.
[ad_2]
Source