Вчені зробили важливий крок до розуміння того, як мозок обробляє інформацію, навчається і зберігає спогади. Дослідникам уперше вдалося з високою точністю «побачити» хімічні сигнали, які надходять до нейронів і фактично керують роботою пам’яті та мислення.
Невидима сторона роботи мозку
Робота мозку ґрунтується на обміні сигналами між нейронами. Протягом десятиліть наука вміла добре фіксувати те, що нейрони «відправляють» — електричні імпульси та зміни рівня кальцію. Але сигнали, які нейрони отримують, залишалися майже невловимими.
Йдеться про нейромедіатори — хімічні речовини, за допомогою яких клітини мозку спілкуються між собою. Найважливішим серед них є глутамат — основний збуджувальний нейромедіатор у мозку людини. Його вивільнення відбувається блискавично: один електричний імпульс зазвичай означає появу лише одного «пакета» молекул глутамату, який існує в синапсі менш ніж мілісекунду. Саме через це такі сигнали було надзвичайно складно зафіксувати.
Чому вхідні сигнали такі важливі
Кожен нейрон отримує інформацію від тисяч інших клітин через синапси. Саме поєднання цих слабких, але численних сигналів визначає, чи «запуститься» нейрон і яку інформацію він передасть далі. Від цього залежать навчання, формування спогадів і складні когнітивні процеси.
До цього моменту вчені змушені були робити висновки опосередковано — за електричною активністю або кальцієвими сплесками. Пряме спостереження за вивільненням глутамату відкриває можливість точно зрозуміти, які саме сигнали впливають на роботу нейронів, а які ігноруються.
Білок, який змінив правила гри
Команда дослідників з Інституту нейронної динаміки Аллена та дослідницького центру Janelia створила нове покоління біосенсорів — білків iGluSnFR4. Їх спеціально «налаштували» так, щоб вони були яскравішими, чутливішими та швидшими за попередні версії.
У результаті з’явилися два ключові варіанти. Один із них дозволяє фіксувати надзвичайно швидкі події на окремих синапсах, інший — бачити слабші сигнали одразу в багатьох точках мозку. Обидва сенсори здатні реєструвати вивільнення глутамату навіть з одного-єдиного синаптичного «пакета».
Живе спостереження за думками
Нові інструменти дали змогу спостерігати за хімічними сигналами в реальному часі в різних ділянках мозку — корі, гіпокампі, таламусі та середньому мозку. Вчені бачать, як сигнали змінюються буквально з мілісекундною точністю, наприклад у відповідь на зовнішні стимули.
Важливо й те, що сигнали від сусідніх синапсів не «зливаються» між собою. Це дозволяє створювати детальні карти того, як саме інформація поширюється нейронними мережами.
Ключ до розуміння хвороб мозку
Порушення роботи глутаматної системи пов’язують із багатьма захворюваннями — від епілепсії та хвороби Альцгеймера до шизофренії й аутизму. Часто проблема полягає не в загибелі нейронів, а в збоях їхньої комунікації.
Нові сенсори дозволяють безпосередньо побачити, де саме виникає «злам» у передачі сигналів. Це відкриває нові можливості і для розробки ліків — тепер дослідники можуть оцінювати дію препаратів не лише за поведінкою чи електричною активністю, а й за реальною хімічною комунікацією між клітинами.
Новий розділ у нейронауці
Як пояснюють автори дослідження, раніше роботу мозку можна було порівняти з книгою, в якій видно окремі слова, але не зрозуміло, як вони пов’язані між собою. Тепер науковці отримали інструмент, який показує самі «зв’язки» між нейронами та порядок обміну інформацією.
Оскільки ці сенсори стануть доступними для лабораторій у всьому світі, їх широке застосування може значно прискорити дослідження пам’яті, навчання та неврологічних розладів. Робота, опублікована в журналі Nature Methods, уже називають одним із найважливіших технологічних проривів у сучасній нейронауці.