Исследование показывает первую полную схему соединений нервной системы животного

В исследовании, опубликованном сегодня в Nature исследователи из медицинского колледжа Альберта Эйнштейна описывают первую полную схему соединений нервной системы животное круглого червя Caenorhabditis elegans, используемое учеными во всем мире в качестве модельного организма. В исследование включены взрослые лица обоего пола и выявлены существенные различия между ними.

Полученные данные являются важной вехой в области «коннектомики», попытки составить карту множества нервных связей в головном мозге, области мозга или нервной системе, чтобы найти специфические нервные связи, ответственные за определенное поведение.

«Структура всегда занимает центральное место в биологии», – сказал руководитель исследования Скотт Эммонс, доктор философии, профессор генетики и кафедры неврологии имени Доминика П. Пурпура и кафедры молекулярной генетики Зигфрида Ульмана в Эйнштейне. «Структура ДНК показала, как работают гены, а структура белков – как функционируют ферменты. Теперь структура нервной системы показывает, как ведут себя животные и как нервные связи нарушаются, вызывая заболевание».

Исследователи выдвинули гипотезу о том, что некоторые неврологические и психиатрические расстройства, такие как шизофрения и аутизм, являются «коннопатиями», то есть проблемами, вызванными «неисправной проводкой». «Эта гипотеза подтверждается тем фактом, что некоторые психические расстройства связаны с мутациями в генах, которые, как считается, определяют связь», – сказал доктор Эммонс. «У Connectomics есть потенциал, чтобы помочь нам понять основу некоторых психических заболеваний, возможно, предлагая пути для терапии».

Модельный организм

Поскольку C. elegans очень маленький – взрослые имеют длину всего один миллиметр и имеют только около 1000 клеток – его простая нервная система из нескольких сотен нейронов (302 у гермафродита / женского пола, 385 у мужчины) составляет это одна из лучших моделей животных для понимания человеческого мозга, который в миллиарды раз сложнее. Это был также первый многоклеточный организм, в котором весь геном был секвенирован.

Д-р. Исследование Эммонса основано на новаторской работе покойного британского биолога Сиднея Бреннера, который в 2002 году получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине за свои исследования C. elegans. Лаборатория доктора Бреннера, возглавляемая сотрудником лаборатории Джоном Уайтом, опубликовала первую карту нервной системы C. elegans в 1986 году, после тщательного анализа нейронных структур, видимых на тысячах серийных электронных микрофотографий круглого червя. Каждое изображение состояло из поперечного среза, который в тысячу раз тоньше человеческого волоса. Он и его коллеги вручную «соединили точки» между каждым срезом, связав структуры от одного изображения к другому, чтобы создать детальное представление нервов и около 5000 связей (синапсов) между ними.

Др. Бреннер и Уайт, создавшие 20 лет, основали коннектомику и определили круглого червя как существенную модель животных для изучения биологии и болезней человека. Но их карта, неофициально называемая «Разум червя», пропускала большие части тела червя и включала в себя только один из полов – гермафродита или самку, а не самца.

Принимая эстафету

Для нового исследования команда доктора Эммонса проанализировала новые электронные микрофотографии круглого червя, а также старые д-ра Бреннера и соединила их вместе, используя специально разработанное программное обеспечение, для создания полных электрических схем всех взрослых животных обоего пола C. elegans. Диаграммы включают все связи между отдельными нейронами, соединения нейронов с мышцами червя и другими тканями, такими как кишечник и кожа, и синапсы между мышечными клетками, с оценками силы этих синапсов.

В то время как синаптические пути у двух полов в значительной степени схожи, ряд синапсов различается по силе, обеспечивая основу для понимания поведения, специфичного для пола ».

Руководитель исследования Скотт Эммонс, доктор философии.

Основные половые различия относятся к репродуктивным функциям: в влагалищных и маточных мышцах и моторных нейронах, которые контролируют их в гермафродите; и в большом количестве дополнительных нейронов, половых мышц и связей в хвосте, которые генерируют цепи для совокупления у мужчин. Но помимо этого, удивительное количество синапсов между нейронами в центральных путях, общих для обоих полов, также, по-видимому, значительно различаются по силе.

«Эти связанные сети служат отправной точкой для расшифровки нейронного контроля поведения C. elegans», – сказал доктор Эммонс. «Поскольку нервная система круглого червя содержит много таких же молекул, что и нервная система человека, то, что мы узнаем о первом, может помочь нам понять второе».

Д-р. В настоящее время Эммонс изучает, как коннектом круглого червя кодируется его геном.

Source link