Ученые из Института физиологии им. Карла Людвига при Лейпцигском университете совместно с коллегами из Университета Джонса Хопкинса добились значительного прогресса в изучении функционирования головного мозга. Разработанная ими методика, известная как "криостимуляция", предоставляет возможность визуализировать процессы передачи сигналов между нейронами с высокой скоростью, порядка миллисекунд. Впервые данный метод успешно применен к образцам мозговой ткани мышей и человека.
В перспективе это позволит изучать, как нейроны адаптируют процессы сигнализации в ответ на свою активность, включая изменения в высвобождении нейротрансмиттеров и пластичность синапсов, играющих важную роль в процессах обучения.
Метод "электрической стимуляции с последующей криофиксацией" предполагает кратковременную стимуляцию нервных клеток электрическим импульсом с последующей мгновенной заморозкой. Это позволяет зафиксировать динамику клеточных компонентов и изучать их с помощью электронной микроскопии. В новой работе международная группа исследователей продемонстрировала эффективность этого подхода на интактной ткани головного мозга мышей и людей.
Первоначально исследователи сосредоточились на изучении образцов мозга мышей. Используя "криостимуляцию", они наблюдали за процессами рециркуляции синаптических везикул, крошечных мембранных структур, задействованных в передаче нейромедиаторов. В здоровом мозге эти везикулы обеспечивают передачу информации между клетками, что критически важно для обработки информации, обучения и формирования памяти.
Применив аналогичный подход к тканям мозга человека, ученые подтвердили сходство происходящих процессов. В обоих случаях они идентифицировали белок Dynamin1xA в областях рециркуляции везикул, что свидетельствует об общности фундаментальных механизмов у мышей и людей.
"Впервые мы получили возможность непосредственно наблюдать, как клеточная мембрана в мозге человека быстро обновляется после высвобождения нейротрансмиттеров. Этот метод позволяет нам как бы наблюдать за клетками мозга в процессе обучения, что подтверждает важность модельных организмов для фундаментальных нейробиологических исследований", – отмечает доктор Кристина Липпманн, ведущий автор исследования.
Экспертиза в области двухфотонной микроскопии и электрофизиологии в Институте Карла Людвига способствовала успешной адаптации метода "криостимуляции" для исследования срезов мозга. Исследователи также продемонстрировали, что этот подход эффективно стимулирует нервные волокна, выровненные по электрическому полю, и может вызывать пресинаптическую кратковременную пластичность, ключевой механизм обучения. В дальнейшем метод будет использован для более детального изучения механизмов пресинаптической пластичности в коре мозжечка.
Результаты исследования опубликованы в журнале Neuron.
Изображение. Слева: покоящийся синапс человека, содержащий небольшие везикулы с нейромедиаторами. Справа: синапс, быстро зафиксированный через 100 миллисекунд после потенциала действия. Стрелка: инвагинация мембраны, образующая новые везикулы — сверхбыстрый эндоцитоз. Автор фото: Челси Эддингс
