Signalai, perduodami motoriniams neuronams iš smegenų, įgalina raumenų judėjimą, tačiau šie signalai paprastai praeina per stuburo interneuronus, kol pasiekia paskirties vietą. Menkai suprantama, kaip yra sujungtos smegenys ir ši labai įvairi „skirstymo skydo operatorių“ ląstelių grupė.
Kad tai išspręstų, St. Jude’o vaikų tyrimų ligoninės mokslininkai sukūrė viso smegenų atlasą, vaizduojantį smegenų sritis, kurios siunčia tiesiogines įvestis į V1 interneuronus – judėjimui reikalingų ląstelių grupę. Gautas atlasas ir kartu esanti trimatė interaktyvi svetainė suteikia pagrindą toliau suprasti nervų sistemos anatominį kraštovaizdį ir tai, kaip smegenys bendrauja su nugaros smegenimis. Išvados paskelbtos m Neuronas.
„Jau dešimtmečius žinojome, kad motorinė sistema yra paskirstytas tinklas, tačiau galutinis rezultatas yra per nugaros smegenis“, – sakė atitinkamas autorius Jay Bikoff, Ph.D., Sent Džudo vystymosi neurobiologijos katedra. „Ten yra motorinių neuronų, kurie sukelia raumenų susitraukimą, bet motoriniai neuronai neveikia atskirai. Jų veiklą sudaro molekuliniu ir funkciniu požiūriu skirtingų interneuronų tinklai.”
Tinklo, jungiančio smegenis su variklio galia, išpainiojimas
Nors buvo padaryti didžiuliai šuoliai siekiant suprasti, kaip skirtingi smegenų regionai yra susiję su skirtingais motorinio valdymo aspektais, būtent tai, kaip šie regionai jungiasi su specifiniais nugaros smegenų neuronais, buvo akla dėmė. Interneuronus sunku ištirti daugiausia dėl to, kad jie yra šimtai skirtingų, tarpusavyje susimaišiusių atmainų.
„Tai panašu į kalėdinių žiburių kamuoliuko išpainiojimą, išskyrus tai, kad tai yra sudėtingiau, nes tai, ką mes bandome išnarplioti, yra daugiau nei 3 milijardų metų evoliucijos rezultatas“, – sakė vienas iš pirmųjų autorių, mokslų daktaras Anandas Kulkarni.
Naujausi pasiekimai parodė, kad egzistuoja molekuliniu ir vystymosi požiūriu skirtingi interneuronų poklasiai, tačiau vis dar daug nežinoma apie jų vietą neuroniniame komunikacijoje.
„Nusileidžiančių motorinių sistemų ląstelių taikinių apibrėžimas yra labai svarbus norint suprasti nervinę judėjimo ir elgesio kontrolę“, – sakė Bikoffas. „Turime žinoti, kaip smegenys perduoda šiuos signalus.”
Norėdami išardyti grandines, jungiančias smegenis su nugaros smegenimis, mokslininkai panaudojo genetiškai modifikuotą pasiutligės viruso versiją, kurios paviršiuje trūksta pagrindinio baltymo – glikoproteino. Tai slopino viruso gebėjimą plisti tarp neuronų.
Tai iš esmės sustabdė virusą nuo jo kilmės. Pakartotinai įtraukus šį glikoproteiną į konkrečią interneuronų populiaciją, virusas galėtų atlikti vieną šuolį per sinapses, kol vėl įstrigtų. Tyrėjai naudojo fluorescencinę žymę virusui sekti. Stebėdami, kur virusas patenka, mokslininkai galėjo tiksliai nustatyti, kurie smegenų regionai buvo prijungti prie šių interneuronų.
3D žemėlapis leidžia tyrinėtojams vizualizuoti ryšius
Tyrėjai taikė šį metodą interneuronų klasei, vadinamai V1 interneuronais, kurie anksčiau buvo įrodyta, kad jie atlieka gyvybiškai svarbų vaidmenį formuojant variklio galią. Šis darbas leido jiems tiksliai atsekti kelių signalų, kuriuos šie interneuronai gauna, kilmę atgal į smegenis.
„Mes orientuojamės tik į V1 interneuronus, tačiau tai iš tikrųjų yra labai nevienalytė neuronų grupė, todėl pagalvojome: „Taikykime kuo daugiau V1 ir pažiūrėkime, kas jiems prognozuoja“, – sakė Bikoffas.
Tyrėjai kreipėsi į serijinę dviejų fotonų tomografiją, kad vizualizuotų šiuos neuronus ir sukurtų trimatį atskaitos atlasą. Taikant šį metodą, smegenys daromos šimtų mikronų storio pjūvių, kad būtų atskleisti fluorescenciniu būdu pažymėti neuronai. Atlasas leido tyrėjams tiksliai prognozuoti tinklą, jungiantį skirtingas smegenų struktūras su nugaros smegenimis ir interneuronus, su kuriais jie sąveikauja.
Nustačius, kaip šios struktūros jungiasi su nugaros smegenimis, mokslininkai gali toliau tirti judesius kontroliuojančias nervines grandines, o pridedamas interneto atlasas užtikrins, kad duomenys būtų laisvai prieinami visiems.
„Mes suprantame, ką kai kurie identifikuoti smegenų regionai daro elgsenos požiūriu”, – paaiškino Bikoffas, – bet dabar galime iškelti hipotezes apie tai, kaip šie poveikiai yra tarpininkaujami ir koks gali būti V1 interneuronų vaidmuo. Tai bus labai naudinga laukas kaip hipotezes generuojantis variklis“.