Несколько недель назад мы публиковали статью с описанием работы американских ученых, которые смогли составить карту мозга дрозофилы. На это ушло 12 лет и $40 млн, но результат стоил того, ведь этот проект позволяет лучше понять то, как работает нервная система живых организмов.
Сейчас стало известно об интересном проекте японских ученых, которые научились размечать нейроны нематод Caenorhabditis elegans. Это черви, нервная система которых состоит лишь из 302 нейронов, так что следить за их работой гораздо проще, чем в случае более сложных живых организмов.
Японцы смогли вывести червей, нервная система которых экспрессирует определенный набор маркеров. Кроме того, был разработан и алгоритм, который отслеживает работу нейронов червя, идентифицируя активность отдельных клеток в полуавтоматическом режиме. К сожалению, даже в случае этих простых живых организмов не удалось определить все нейроны, задействованные в жизнедеятельности червя.
Но большинство нейронов удалось идентифицировать. C. elegans — отличный вариант для отслеживания работы как отдельных нейронов, так и всей сети. Ученые составили модель работы нервной системы червя, с отслеживанием работы отдельных нейронов.
Интересно, что у взрослых червей расположение отдельных нейронов может отличаться. У молодых особей разница не слишком значительна, но у взрослых нематод — да, поэтому усложняется процесс идентификации нервных клеток. Тем не менее, ученым удалось визуализировать работу всей нервной системы червя, включая состояние покоя и движения.
Для того, чтобы определить, какие нейроны за что отвечают, ученые решили использовать специфические маркеры. Но и они не дают полной картины, поскольку такой способ годится лишь для мониторинга работы отдельных подсистем. Для определения каждой отдельной клетки нужно использовать слишком много маркеров.
Начало проекту положил Фухуй Лун (Fuhui Long), которому удалось составить 3D-атлас личинок нематод. В них отмечено расположение 357 из 558 клеток червя, а также возможные варианты расположения. Но вот нейроны головного нервного узла не описаны. Причина — их плотность превышает допустимый для современных методов мониторинга показатель.
Поэтому ученые и решили создать новый набор идентификаторов. Для того, чтобы выйти из положения, японцы выделили определенные промооторы специальными флюоресцентными метками. Промотором называют определенный участок ДНК, который используется в качестве начала транскрипции. Для разных клеток характерны разные промоторы. При желании можно задействовать флюоресцентные белки, которые срабатывают при эксперссии определенного промотора.
Ученые решили выбрать именно этот метод для того, чтобы оценить принцип работы нервной системы нематод. Так, специалисты отслеживали экспрессию 35 разных промоторов в нервных клетках 311 червей. После этого ученые решили сравнить месторасположения одних и тех же клеток у разных червей. Были выделены клетки, которые могут размещаться в организме червя по-разному.
Финальной стадией проекта было выделение трех промоторов, ответственных за работу большого числа клеток, а затем — связывание клеток с флюоресцентными клетками, что дало возможность определеить оптимальное число нервных клеток в нематоде.
Плюс ко всему, ученым удалось создать автоматизированный алгоритм определения нейронов новой линии C. elegans. Он сравнивает экспрессию выделенных маркеров и положение нервных клеток нематод. При необходимости можно корректировать определение нейронов вручную.
В итоге специалистам удалось определить по паттерну экспрессии большинство нейронов верхней части тела червя. Положение клеток, как оказалось, нестбильно, но ученые выявили пары клеток, которые часто находятся в теле червя рядом, поэтому можно выявить закономерности расположения клеток.
Как результат — ученые создали алгоритм, который правильно определял активные нейроны. Точность составила около 78%. Правда, некоторые клетки остались неидентифицированными, их нет в атласах. Часть клеток вообще находилась лишь в телах очень небольшого количества нематод.
В ближайшем будущем ученые собираются изучить гораздо большее количество особей. Регулярные эксперименты позволят выяснить специфичные промоторы и дополнить базу данных маркеров готовых клеток червей.
