WMZ: Z191701361450 WMR: R209318204033 |
Wi-Fi for neurons: first map of wireless nerve signals unveiled in worms | |
---|---|
|
Конфокальная световая микрофотография червей Caenorhabditis elegans, экспрессирующих зеленые флуоресцентные белки, которые выявляют нейроны. Caenorhabditis elegans имеет 302 нейрона (зеленые), которые исследователи могут изучать с помощью таких инструментов, как флуоресцентные маркеры. Credit: Heiti Paves/Science Photo Library Представление о том, что нервная система передает сообщения от одной нервной клетки к другой только через синапсы - точки, где клетки соединяются между собой, - меняется. Два исследования показывают, как сообщения могут передаваться между клетками на большие расстояния, через "беспроводную" нервную сеть у червя Caenorhabditis elegans.
Исследователи не оценивали масштабы этой беспроводной связи, которая происходит, когда молекула, называемая нейропептидом, выделяется одним нейроном и перехватывается другим на некотором расстоянии. Новые исследования, опубликованные в журналах Nature1 и Neuron2, впервые отображают всю сеть нейропептидной связи в модельном организме. "Мы знали о существовании этих химических связей, но это, вероятно, самое полное исследование всей нервной системы", - говорит Ga'spa'r Je'kely, нейробиолог из Гейдельбергского университета (Германия), не принимавший участия в работе. И, по его словам, исследование показывает, что "дело не только в синапсах".
Ранее исследователи уже составляли анатомические карты проводки - коннектомы, - показывающие, как все нейроны плодовой мушки (Drosophila melanogaster) и C. elegans связаны между собой синапсами. Однако William Schafer, нейробиолог из Лаборатории молекулярной биологии MRC в Кембридже (Великобритания), задался вопросом о роли нейропептидов, которые считались просто помощниками в передаче сообщений в нервной системе. "Когда я впервые заговорил об этом, - говорит он, - некоторые люди задались вопросом: "Это все просто суп", в котором нейропептиды беспорядочно перетекают из одного нейрона в другой, "или вы действительно можете думать об этом как о сети?".
Всемирный проект по картированию мозга вызывает волнение - и беспокойство
Он и его коллеги проанализировали, какие нейроны в нервной системе C. elegans экспрессиркуют гены определенных нейропептидов, и какие - гены рецепторов этих нейропептидов. Используя эти данные, команда предсказала, какие пары нервных клеток могут общаться по беспроводной связи. На основе этих результатов исследователи составили потенциальную карту беспроводных связей в черве, обнаружив плотные связи, которые выглядят совсем иначе, чем на анатомической электрической схеме C. elegans. Свои выводы они опубликовали в журнале Neuron2 на прошлой неделе.
Независимо от них группа под руководством Andrew Leifer, нейробиолога из Принстонского университета в Нью-Джерси, занялась изучением того, как сигналы проходят через C. elegans, измеряя активность нейронов, что позволило выявить вклад этой беспроводной сети. Команда использовала оптогенетику - метод, который использует свет и светочувствительные белки для запуска нервных клеток, чтобы они посылали электрические "сообщения". Один за другим исследователи активировали каждый из 302 нейронов C. elegans, а затем получили изображение того, как сигналы распространяются от одного нейрона к другому. Измерения нейронной активности в голове червя при одновременной оптической стимуляции отдельных нейронов, которые на этой визуализации выделены темно-красным цветом.
Исследователи использовали оптогенетику, чтобы стимулировать каждый из нейронов C. elegans (показан крестиком), а затем наблюдали, как электрический сигнал распространяется на другие нервные клетки (красное мерцание).Credit: Francesco Randi, Princeton University
Созданная ими карта активности не соответствовала тому, что они могли бы предсказать для C. elegans на основе одного лишь стандартного коннектома, и они заподозрили, что недостающим элементом является нейропептидная связь. Поэтому они вывели генетически модифицированного червя, у которого отсутствовал белок, имеющий решающее значение для этого типа сигнализации, и увидели, что когда они пытались активировать клетки червя с помощью оптогенетики, многие из них оставались безмолвными. Это говорит о том, что беспроводная связь в черве напрямую активирует нейроны.
Когда исследователи разработали модель для описания активности нейронов C. elegans, они обнаружили, что модель, включающая как проводные, синаптические связи, так и беспроводную сигнализацию, лучше предсказывает перемещение сигналов в черве, чем только синаптические связи. Команда опубликовала свои результаты в журнале Nature1 в начале этого месяца и представила их на встрече Общества нейронаук в Вашингтоне 14 ноября.
Совершенно новый взгляд
"Было удивительно видеть, как множество [нейропептидных] связей может привести к прямой активации нейронов", - говорит Francesco Randi, первый автор статьи в Nature, который проводил работу в Принстоне.
"Нейропептидная сеть считалась помощником для синаптической сигнализации", - говорит Isabel Beets, нейробиолог из Левенского католического университета в Бельгии и автор исследования Neuron. "Но масштаб этой карты сигнализации действительно показывает, что она не менее важна, сложна и, возможно, даже более разнообразна, чем сеть синаптической сигнализации".
Лекарства, такие как популярный препарат для похудения semaglutide (Wegovy), могут активировать нейропептидные рецепторы в организме, поэтому понимание этой беспроводной сети очень важно, говорит Schafer. Следующим шагом Schafer и его коллег станет проведение аналогичных исследований на других организмах - с целью понять, как нейропептидная сеть в сочетании с "проводной" синаптической сетью способствует поведению организма. Опубликованная на прошлой неделе в журнале Science3 методика, позволяющая исследователям визуализировать места связывания нейропептидов с их рецепторами, может помочь в этих поисках. Поскольку нейропептиды сохраняются у разных видов, некоторые исследователи подозревают, что эта сеть может выглядеть так же, как и у других организмов, включая человека.
"Эти две работы - прекрасный пример того, как на примере одного простого, хорошо изученного организма с большим количеством молекулярных и генетических инструментов можно извлечь уроки, которые, я уверен на 100%, будут применимы ко всем животным", - говорит Stephen Smith, нейробиолог из Института Аллена в Сиэтле, штат Вашингтон.
Исследователи надеются, что полученные результаты подтолкнут других к тому, чтобы по-другому взглянуть на то, как возникает нейронная динамика. "Я думаю, что мы должны отойти от взгляда на нервную систему, основанного только на синапсах", - говорит Je'kely. "Это просто не сработает".
References
Randi, F., Sharma, A. K., Dvali, S. & Leifer, A. M. Nature 623, 406–414 (2023).
Ripoll-Sa'nchez, L. et al. Neuron 111, 3570–3589 (2023).
Wang, H. et al. Science 382, eabq8173 (2023).
|