Нейротон. Занимательные истории о нервном импульсе

Для каждого из участников средствами магнитно-резонансной томографии были составлены карты анатомических и функциональных связей мозга, а к 2018 году планировалось полное секвенирование их геномов.

Коннектомика уже сейчас изменяет наши взгляды на психические заболевания. Есть предположение, что многие из них, по сути своей – коннектопатии, связанные с нарушением связей, а не с патологиями тех или иных структур или областей мозга.

Когнитом

Ещё не создан коннектом человека, но мысли и фантазии уносят нас вперёд.

Где хранятся наши врождённые способности дышать, есть, двигаться и чувствовать? Заложены они уже в структуре нервной системы или записаны поверх неё? Наконец, где и как записываются и хранятся наши приобретённые социальные навыки, например, речь и вершина всего – самосознание.

Так родилась идея когнитома.

(Когнитивность, от латинского cognitio, «познание, изучение, осознание», – способность к умственному восприятию и переработке внешней информации.)

«Когнитом в нашем понимании, – рассказывает автор теории Анохин Константин Владимирович, – это весь набор когнитивных элементов мозга, которые составляют нашу личность. Мы полагаем, что каждый из этих элементов представлен в мозге, в нашем коннектоме, в виде функциональной системы. И в этом основная сложность исследования когнитома. Когнитивная единица не лежит на полочке той или иной структуры мозга, каждая из них – это распределённая сеть клеток, причём клетки одной структуры могут входить в самые разные элементы субъективного опыта. А каждый элемент субъективного опыта – масса синхронно активируемых в определённый момент нейронов в разных областях мозга. Элементы когнитома, так же, как и весь когнитом, – это не статическая картина, это постоянно развивающаяся система. В результате нового опыта, обучения в эту сеть добавляются те или иные новые элементы, меняющие как структуру когнитома, так и связи между уже существующими элементами».

Как можно обнаружить эти когнитивные единицы? Как выделить среди миллиардов нейронов мозга группу, отвечающую за элемент субъективного опыта, найти материальный носитель воспоминания, представления, навыка?

Оптогенетика

Оптогенетика – новомодная методика исследования работы нервных клеток, основанная на внедрении в их мембрану специальных каналов – опсинов, реагирующих на возбуждение светом. Давно известно, что нервные клетки способны реагировать на механические, химические, электрические раздражители. Теперь после сложных генетических манипуляций наконец-то нейроны можно заставить возбуждаться светом с определённой длиной волны.

Для создания светочувствительных каналов в мембране задействованы методы генной инженерии. А для возбуждения модернизированных нервных клеток и сетей в ход идут лазеры, световоды и прочая оптическая аппаратура.

На рубеже ХХ века казалось – вот он ещё один прорыв в исследовании нейронов. На практике же очередная игрушка в руках нейробиологов. Демонстрация великолепных научных успехов, но в совсем другой отрасли биологии – генетике.

Брэйнбоу

Более интересное применение оптогенетике нашли американские исследователи Медицинской школы Гарварда под руководством Джеффа В. Лихтмана (Jeff W. Lichtman) и Джошуа Р. Сейнса (Joshua R. Sanes). Они заставили нервные клетки светиться в момент прохождения по ним нервного импульса. Этот метод позволил лучше следить за взаимодействием групп нейронов в мозге.

Исследование опубликовано в журнале Nature Communications [33] в ноябре 2007 года. В статье описывались техники экспрессии флуоресцентных белков в генетически модифицированных животных под названием «Брэйнбоу-1» и «Брэйнбоу-2». Техника «Брэйнбоу-3» была представлена в 2013 году. Название метода происходит от сочетания английских слов brain (мозг) и rainbow (радуга).

Каким образом проводят генную модификацию живых тканей? Чтобы вставить фермент в клетки мозга, учёные соединили его с вирусом, который мог «заражать» нейроны.

Оказалось, что, будучи внедрённым в геном животного, зелёный флуоресцентный белок и его генетически модифицированные варианты могут окрашивать нервные клетки в разные цвета (до 100 разных оттенков), что позволяет значительно точнее и гораздо красивее картировать нейронные связи.

Ещё в конце 19-го века Камилло Гольджи со своей «Чёрной реакцией» впервые в истории визуализировал нейроны. В 1960-х годах И. Тасаки применил красители, флуоресцирующие при электрической стимуляции нейронов «для наблюдения за физическими изменениями в нервных мембранах при передаче импульсов». Целью современных исследователей было улучшение традиционных методов нейровизуализации, поскольку предыдущие техники имели серьёзные ограничения, в первую очередь связанные с небольшим количеством цветов, доступных для окрашивания индивидуальных нейронов.