Прорыв в нейробиологии: запечатлены невидимые ранее детали синапса головного мозга
Исследование, вышедшее в журнале PNAS, демонстрирует значительное техническое достижение, которое позволяет специалистам изучать различные клетки, сходящиеся в отдельных синапсах, с ранее недостижимым уровнем детализации.
Одно дело — понять структуру синапса из научной литературы, но совсем другое — увидеть точную геометрию взаимодействий между отдельными клетками. Потенциально это улучшит понимание ряда нейродегенеративных и психиатрических заболеваний, при которых нарушается синаптическая функция, например, шизофрении и болезни Гентингтона.
Исследователи использовали новую технику, чтобы сравнить мозг здоровых мышей с мышами, несущими мутантный ген, вызывающий болезнь Гентингтона (хорею Гентингтона). Это прогрессирующее заболевание нервной системы, которое проявляется нарушением речи, памяти и присутствием навязчивых движений. Предыдущие исследования показали, что физиологическая дисфункция астроцитов способствует развитию нейродегенеративного фенотипа при болезни Гентингтона, однако структурные взаимосвязи возникновения этой дисфункции неясны. Астроциты — это глиальные клетки головного мозга, они составляют мозговое вещество, поддерживают нейроны и разделяют их своими телами на компартменты, помогая поддерживать правильную химическую среду в синапсе.
Исследователи сосредоточились на синапсах, в которых задействованы средние шипистые мотонейроны. Прогрессирующая потеря этих клеток является отличительной чертой болезни Гентингтона. Сначала исследователям пришлось идентифицировать синапсы, скрытые в переплетении трех разных клеток, сходящихся в этом месте:
пресинаптического аксона удаленного нейрона;
постсинаптического среднего шиповидного мотонейрона;
волоконных отростков соседнего астроцита.
Исследователи использовали вирусы, чтобы присвоить отдельные флуоресцентные метки аксонам, мотонейронам и астроцитам. Затем они удалили мозг, визуализировали интересующие области с помощью многофотонной микроскопии и применили метод инфракрасного брендинга, который использует лазеры для создания контрольных точек в ткани мозга. Это позволило исследователям позднее перемещать интересующие клетки.
Затем ученые исследовали ткань мозга с помощью серийного блочного сканирующего электронного микроскопа, расположенного в Университете Копенгагена. Это инструмент, созданный для изучения мельчайших структур мозга. Устройство использует алмазный нож для серийного удаления и визуализации ультратонких срезов ткани головного мозга, создавая трехмерные нанометровые модели меченых клеток и их взаимодействий в синапсе.
Модели раскрывают геометрию и структурные взаимоотношения между астроцитами и их партнерскими синапсами, что важно, поскольку эти клетки должны взаимодействовать определенным образом в синапсе. Этот подход дает возможность измерять и описывать геометрию синаптической среды в зависимости от заболевания.
В мозге здоровых мышей команда заметила, что астроцитарные процессы полностью охватывают пространство вокруг синапса в форме диска, создавая прочную связь. Напротив, астроциты у мышей с болезнью Гентингтона не были столь эффективны в размещении или секвестрации синапсов, оставляя большие промежутки. Этот структурный недостаток позволяет калию и глутамату — химическим веществам, которые регулируют связь между клетками — выходить из синапса, потенциально нарушая нормальную межклеточную связь.
Дисфункция астроцитов связана в том числе с другими состояниями, включая шизофрению, боковой амиотрофический склероз и лобно-височную деменцию. Новый метод может значительно улучшить понимание учеными точной структурной основы этих заболеваний. Так, с его помощью можно оценить эффективность стратегий замены клеток, когда больные глиальные клетки замещают здоровыми.