Ученые наблюдают за нейронной активностью 10 тысяч клеток в 3D, в режиме реального времени

Ученые считают, что реакции на смешанные запахи являются более сложными, чем считалось ранее

Наша способность изучать сети нервной системы была ограничена доступными инструментами для одновременного наблюдения больших объемов клеток. Сверхбыстрая технология трехмерной визуализации, называемая SCAPE-микроскопией, разработанная в рамках Инициативы по исследованию мозга, проводимой Национальными институтами здоровья (NIH), позволяет увидеть больший объем ткани.

«Это элегантная демонстрация силы технологии BRAIN Initiative, позволяющей по-новому взглянуть на то, как мозг декодирует информацию для создания ощущений, мыслей и действий», – сказал Эдмунд Талли, доктор философии, программный директор Национального института неврологических расстройств и инсульта (NINDS), часть NIH.

Микроскоп SCAPE был разработан в лаборатории Элизабет М.К. Хиллман, доктора биологических наук, профессора биомедицинской инженерии и радиологии и главного исследователя в Колумбийском институте Цукермана в Нью-Йорке.

«Микроскопия SCAPE открыла возможности для исследований, в которых большие объемы необходимо наблюдать одновременно и в режиме реального времени», – сказала доктор Хиллман. «Поскольку клетки и ткани можно оставить нетронутыми и визуализировать их с высокой скоростью в трех измерениях, мы можем исследовать много новых вопросов, которые ранее не могли изучаться».

Обонятельный эпителий расположен глубоко в носу и состоит из многих тысяч нервных клеток, каждая из которых содержит один специальный рецептор, который реагирует на определенный запах. Исследования с использованием отдельных простых запахов показывают, что когда мы что-то чувствуем, активируется определенная комбинация этих нервных клеток, образуя “код”, который интерпретируется мозгом как этот специфический запах. В прошлом исследователи могли изучать только ограниченную часть этой области за один раз, и методы, которые они использовали, могли повредить ткани, затрудняя тем самым процесс.

Обонятельный эпителий оказался идеальной мишенью для исследования с использованием SCAPE, потому что нервные клетки, ответственные за обнаружение запахов, распределены несколько случайным образом. Это означает, что важно наблюдать как можно больше клеток, чтобы сделать выводы об их моделях активности.

Чувствительные к запаху клетки реагируют (становятся зелеными) на сложные запахи в режиме реального времени.

Используя SCAPE, исследователи, которые выполнили это исследование, смогли измерить тысячи обонятельных нервных клеток одновременно, когда они отвечали на комбинации различных запахов, описанных как «миндаль», «цветочный / жасмин» и «цитрусовый». Однако, хотя они увидели простые закономерности, предсказанные существующей теорией, когда они подвергали ткань запахам индивидуально, когда два или три запаха смешались вместе, они увидели гораздо более сложную систему интерактивных реакций нервных клеток, чем ожидалось.

«Мы ожидали, что реакция на смесь запахов будет во многом похожа на сумму ответов на оригинальные запахи», – сказал Стюарт Файрштейн, доктор философии, профессор Колумбийского университета, Нью-Йорк, и старший автор исследования. «Вместо этого мы наблюдали сложные взаимодействия, когда второй запах усиливал реакцию нейрона на первый запах, или в других случаях подавлял реакцию нейрона».

Эти результаты предполагают, что сигналы, достигающие мозг, искажаются этими взаимодействиями рецепторов в носу, изменяя код смеси запахов во что-то заметно отличающееся от суммы его частей. Учитывая, что почти все запахи вокруг нас представляют собой сложные смеси, этот механизм может объяснить, как мы можем различать огромное разнообразие различных запахов, а также объяснить, почему часто бывает трудно выбрать отдельные ингредиенты смеси.

Д-р Файрштейн говорит, что он и другие теперь могут продолжить изучение того, как сложные комбинации запаха кодируются обонятельной системой и как эти сигналы в конечном итоге интерпретируются мозгом. Последствия этого исследования также выходят за рамки современного понимания того, как мозг воспринимает запахи, включая потенциальный новый способ поисков кандидатов на лекарства, которые влияют на типы рецепторов, действующих в обонятельной системе.

Кроме того, некоторые неврологические расстройства, такие как болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона, а также системные заболевания, включая COVID-19, часто имеют потерю обоняния в качестве раннего симптома. Лучшее понимание изменений, которые вызывают этот симптом, может помочь в системе раннего обнаружения до наступления более изнурительных эффектов.

Поскольку подобные исследования включают сбор информации о более чем 10 000 клеток в течение длительных периодов времени, объем данных, собранный группой, был огромен. Команда разработала новые методы анализа и даже создала свои собственные компьютеры для обработки вычислений.

«Мы постоянно совершенствуем и совершенствуем SCAPE, и интенсивное междисциплинарное сотрудничество, подобное этому, было крайне важно для руководства этими инновациями и дальнейшего расширения того, что мы можем сделать с помощью этой техники», – сказала доктор Хиллман.

DOI: 10.1126/science.aaz5390

Вас также может заинтересовать:

Недавно открытый процесс памяти влияет на принятие решений