Биологам из Японского национального института генетики удалось впервые запечатлеть в реальном времени, как происходит передача нервных импульсов в подкорковых центрах мозга рыбы, отвечающих за анализ зрительных сигналов непосредственно в момент охоты. Новая технология, позволяющая визуализировать на клеточном уровне сигнальное взаимодействие нейронов, обещает стать эффективным инструментом в изучении мозговых процессов, лежащих в основе восприятия, памяти, анализа и принятия решений.
Статья с описанием технологии и экспериментов, позволивших подсмотреть, как «мыслит» рыба, опубликована в ночь на пятницу в Current Biology.
Нейронные сигналы в среднем мозге малька данио, детектированные посредством генетически кодированных кальциевых сенсоров. Сигналы возникают в ответ на визульный стимул — неподвижную мигающую точку на LCD-экране. // Current Biology, Muto et al.
Как именно мозг воспринимает и обрабатывает информацию о внешнем мире, формируя моторные команды в условиях постоянно меняющейся оперативной обстановки, остается одной из фундаментальных проблем нейронауки. Но увидеть в реальном времени, как циркулируют нервные импульсы в мозге живого существа, не используя грубые инвазивные методы, то есть не замеряя электрическую активность нервных клеток вживленными в ткани мозга микроэлектродами, стало возможным лишь с открытием биофлюоресцентного метода, который позволяет использовать гены светящихся белков, внедренные в организм животного, в качестве маркеров клеточной активности.
Подопытным животным, наиболее подходящим для прямого визуального мониторинга работы мозга, стали данио-рерио.
Данио — не только популярные аквариумные рыбки, но и хорошо изученный модельный организм, снабженный генами биолюминесценции медузы еще в 2003 году. Подсматривать за мозгом этих рыб очень удобно. Во-первых, ткани эмбрионов и личинок данио почти прозрачны, что позволяет непосредственно наблюдать за зеленой люминесценцией модифицированных клеток, подсвечивая рыбу синим светом. Во-вторых, за десять лет генные инженеры накопили большой опыт в выведении данио, модифицированных определенным образом, когда светящийся белок продуцируется в клетках определенного типа, например — в нейронах.
Кальциевые сигналы в подкорковых визуальных анализаторах данио отображают нейронную активность в ответ на перемещения парамеции в поле зрения малька. // Current Biology, Muto et al.
Личинки данио развиваются довольно быстро и начинают охотиться за своей первой добычей — различным микропланктоном — уже на 4-й день после оплодотворения. Чтобы заставить нейроны мозга рыбы светиться в момент передачи импульсов, ген, отвечающий за светящийся белок, был изменен так, чтобы интенсивность свечения возрастала пропорционально росту концентрации клеточных ионов кальция в момент передачи нервного импульса между двумя нейронами.
Таким образом, снабдив этим геном нейроны подкорковых центров среднего мозга, выполняющих функцию зрительных процессоров, биологи внедрили в каждый нейрон генетически закодированный сенсор кальциевой активности, срабатывающий точно в момент возбуждения нервной клетки.
Зафиксировав малька в специальном резервуаре, биологи стимулировали активность нейронов его мозга сначала с помощью подвижной светящейся точки, проецируемой на LCD-экран (включая, выключая и перемещая точку по экрану, см. видео 1), а затем и с помощью живой «еды» — парамеции, простейшего одноклеточного организма, плававшего в непосредственной близости от глаз малька (видео 2). Во всех случаях кальциевые сенсоры, «зашитые» в нейроны подкорковых бугорков, срабатывали в момент прохождения импульса, и возбужденный нейрон светился, позволяя зафиксировать на видео цепочку мозговых сигналов, точно синхронизированных с передвижениями объектов в поле зрения малька. Фиксация происходила в реальном времени с помощью конфокального микроскопа и с разрешением вплоть до одного нейрона.
Другими словами, эксперименты позволили наконец увидеть, как «мыслит» рыба непосредственно в момент охоты, когда в пределах досягаемости появляется что-нибудь потенциально вкусное.
Конечно, под «мышлением» понимается в данном случае сигнальная картина, возникающая лишь в одном из отделов мозга рыбы, отвечающих за анализ зрительной информации. Тем не менее, как пишут авторы статьи, примененная технология может использоваться и для создания более комплексной картины работы мозга позвоночных, что, в конечном итоге, позволит расшифровать нейронную машинерию, лежащую в основе более сложного поведения, задействующего память, обучение, эмоции, механизмы формирования решения и моторных команд.