Нейротон. Занимательные истории о нервном импульсе - Александр Иванович Волошин

Так, для исследования тканей мозга, активно поглощающих глюкозу, а также для поиска некоторых типов опухолей часто используют 18F флудеоксиглюкозу (фтор-18).

В момент β-плюс (позитронного) распада протон ядра превращается в нейтрон, одновременно испуская нейтрино и позитрон. Нейтрино свободно улетает, никак не взаимодействуя с тканями, а вот позитрон далеко улететь не может. Он очень скоро встречается с электроном, происходит их взаимная аннигиляция, с испусканием пары γ-частиц. Эти частицы и фиксируются сцинтилляционными детекторами, установленными в кольце ПЭТ-сканера.

Первую установку, использующую γ-датчики для локализации опухолей мозга, описал Уильям Свит в 1953 году. Практически в то же время Фрэнк Ренн с соавторами опубликовал в Science результаты исследования опухолей мозга с использованием аннигиляции. Однако современная ПЭ-томография стала возможна только с появлением методов реконструкции изображения на основе множественных сечений. Эту работу начали Дэвид Кул и Рой Эдвардс в конце 1960 года, а закончили в 1975 году Тер-Погосян, Фелпс и Хоффман постройкой первого полноценного томографа.

Большинство современных изотопов для ПЭТ имеют очень короткий период полураспада, их даже изготавливают на циклотроне непосредственно перед введением в организм.

Введение радиофармпрепарата в организм человека проводится внутривенно. После того, как препарат попал в кровь, пациенту нужно находиться в полном спокойствии на протяжении 30—60 минут, что обеспечит оптимальное распределение введённого вещества.

После подобного «отдыха» пациента перевозят в камеру томографа, именно там при помощи специального детектирующего оборудования (ПЭТ-сканера) можно отслеживать распределение в организме биологически активных соединений, меченных позитрон-излучающими радиоизотопами.

При сканировании ПЭТ-КТ облучение может быть значительным – около 23—26 мЗв (для 70 кг веса). Для пациентов с большей массой тела доза вводимого радиофармпрепарата увеличивается.

В общем ПЭТ можно скорее назвать методом поиска опухолей мозге, нежели методом исследования. Но если вспомнить, что для рентгена мозг прозрачен, а кости черепа экранируют ультразвук, то этот метод обследования по-своему уникален. И уж точно менее опасен, чем введение в мозг воздуха (пневмоэнцефалография) или контрастного вещества (ангиография) [19].

Генное исследование мозга. Транскриптом

В сентябре 2003 года Пол Аллен видный филантроп и один из основателей «Майкрософта» основал Институт исследований мозга Аллена, выделив 100 миллионов долларов на изучение того, как работает человеческий мозг, конкретнее – на том, каким образом гены создают мозг.

Но для начала выбрали модель попроще – мозг мыши. И в 2004 году стартовал проект – Атлас транскриптома головного мозга мыши (Allen Mouse Brain Atlas). Завершились работы в сентябре 2012 года.

Транскрипт – молекула РНК, образующаяся в результате экспрессии соответствующего гена или участка ДНК. Соответственно, транскрипто́м – это совокупность всех транскриптов, синтезируемых одной клеткой или группой клеток.

Итогом стала база данных (фотографий срезов мозга, и цифровых трёхмерных изображений), в которой была собрана информация о том, в каком участке мозга какие гены работают. Все результаты по решению участников проекта были размещены с сети Интернет для открытого доступа (www.brain-map.org). [29].

Работа над генной картой мозга мыши позволила Институту Аллена благодаря приобретённому накопить достаточный опыт и создать технологии позволившие приступить к созданию основного проекта – построению транскриптомной карты головного мозга человека. [30]

Транскриптом мозга человека

Схема работы над генным атласом человеческого мозга мало отличалась от таковой для мозга мыши. Для исследования экспрессии генов был использован метод РНК-микрочипов (тогда как в случае мозга мыши применялся метод гибридизации in situ). После исследования структуры, срезы разделялись на более мелкие фрагменты – в итоге их было чуть более 900 для каждого из двух образцов. Затем из ткани выделялись все молекулы РНК, и полученный раствор наносился на специально разработанные микрочипы. В общей сложности было использовано 20 тысяч разных проб, покрывающих 93% известных генов человека (такое странное число можно объяснить тем, что, несмотря на почти полностью прочтённую последовательность генома человека, некоторые гены все ещё не представлены в молекулярных базах последовательностей).

Следующим этапом после всестороннего молекулярно-биологического исследования был биоинформационный анализ данных. Данные по транскриптому были сопоставлены с конкретными зонами мозга. После этого было проверено, существуют ли зоны и отделы мозга, идентичные по своему транскриптому, и можно ли выделить внутри традиционных анатомических зон мозга области с разными профилями экспрессии.

Между транскриптомами отдельных зон мозга были выявлены большие различия. А вот все клетки коры больших полушарий человеческого мозга экспрессируют один и тот же набор генов, независимо от принятого деления на функциональные зоны (зрительные, соматосенсорные, моторные).

Поразило исследователей и сходство между транскриптомами мозга двух людей (пока были исследованы только двое).

Благодаря двум проектам стало известно, что на построение мозга взрослого человека экспрессируется около 84% всех его генов и у мыши примерно столько же. При том, что в построении всех других органов задействовано лишь оставшиеся 16 процентов генов. А если учесть ещё и гены, которые были активными в процессе развития нервной системы, но потом замолкли, – создаётся впечатление, что практически весь геном находится на службе у мозга. [30]

Сегодня ещё рано судить обо всех возможностях, открывающихся с появлением атласа транскриптома мозга человека, однако не будет преувеличением сказать, что нейробиологи получили новый мощный инструмент для своих исследований. По своему масштабу проект Алленовского атласа человеческого мозга сопостави́м с проектом «Геном человека».

Коннектом

Какова цель исследований мозга? Вероятно, это всё то же его картирование – составление подробной карты. А каков предел детализации этой карты? Полное описание структуры связей нейронов в нервной системе организма или – Коннекто́м.

Область исследований, включающая в себя картографирование и анализ архитектуры нейрональных связей, называется «коннектомика».

Понятие о коннектоме как совокупности всех связей в мозгу ввели в 2005 году. Олаф Спорнс, Джулио Тонони вместе с Рольфом Кёттером из Фогтовского института исследований мозга в Дюссельдорфе опубликовали программную статью, которая называлась «Человеческий коннектом. Описание структуры мозга человека» [31]. В том же году независимо от них Патрик Хагман в тезисах своей кандидатской диссертации использовал то же слово и дал то же определение: «Коннектом мозга – совокупность всех связей в нем как единое целое». Мы не можем понять, как работает прибор, пока не получим его схему.

На смену лозунгу «Я – это мой геном» пришёл новый: «Я – это мой коннектом». В самом деле, геном – это лишь точка отсчёта, а карта связей в мозге человека – итог реализации генетической программы, взаимодействия индивида со средой, нечто более близкое к ответу на вопрос «что есть личность».

Появление коннектомики стало возможным благодаря появлению современных инструментов исследования, позволивших построить картину связей между нейронами. Это направление называется микроконнектомикой. Понятно, что любые методы установления связей между отдельными нейронами чрезвычайно трудоёмки – проделать такую работу для целого мозга в обозримом будущем нереально.

Полный коннектом, до клеточного уровня, пока расшифрован только для нематоды Caenorhabditis elegans (C. elegans) – прозрачного червячка длиной около миллиметра. Caenorhabditis elegans – прекрасный объект для исследования. Его геном был расшифрован ещё в 1998 году, а теперь настала очередь коннектома.

Нематода Caenorhabditis elegans – один из самых популярных модельных объектов не только нейробиологов, но и биологов вообще. С помощью этого довольно примитивно устроенного червя учёные смогли разобраться в механизмах программируемой клеточной гибели, ответить на многие вопросы биологии развития, поведения и других областей биологии. И вот, наконец, получилось полностью расшифровать его коннектом, о чем исследователи рассказали в журнале Nature. Точнее, два коннектома: обоих полов. [32]

Этого червя совсем нетрудно выращивать в лаборатории, но главное их свойств это – удивительное постоянство клеточного состава. Например, в теле взрослых самцов всегда насчитывается ровно 1031 клетка, из которых 302 – это нейроны. За годы изучения учёные смогли изучить червя буквально по-клеточно.

Жёстко фиксированное число нейронов у C. elegans и относительная простота устройства его нервной системы открыли перед учёными заманчивую перспективу – построить полный коннектом его нервной