Наша жизнь устроена довольно просто. Не так давно выяснилось, что у нас всего около 20 000 генов. Мы знаем почти все фундаментальные физиологические процессы, идущие в наших клетках, и вряд ли откроем что-нибудь совершенно новое в этой сфере. И мы вполне хорошо представляем принципы работы большинства органов, тканей.
1. Исследование нервной клетки на простейших модельных организмах
Мозг составляет особую проблему для исследователя, потому что в нем слишком много клеток — около ста миллиардов. Один из подходов к выяснению механизмов работы мозга состоял в использовании модельных организмов, у которых меньше нервных клеток. Такие организмы хорошо известны. К ним относятся, например, муха-дрозофила или нематода C. elegans. У этой нематоды во всем организме около тысячи клеток, из них несколько сот нейронов. Но, к сожалению, у этих животных нервные клетки очень маленькие, и они не позволяют использовать классические физиологические методы.
Нервная клетка работает электрически, и про ее основные свойства мы знаем давно. Работа нервной клетки основана на том, что в ней есть ионные каналы, которые могут открываться либо при изменении потенциала на ее мембране, либо под действием химических веществ, приходящих от других клеток. Эти процессы хорошо изучены главным образом благодаря тому, что в нервную клетку можно вставить микроэлектрод. С помощью этого электрода вы можете посмотреть, как работает клетка, можете сами изменять ее активность. Если вы ввели электроды в две клетки одновременно, то вы можете посмотреть, как одна клетка влияет на другую. И если в организме, таком как, например, червяк C. elegans, есть всего несколько сот клеток, то в принципе в нем можно посмотреть все связи между клетками, изучить, как их работа определяет поведение. К сожалению, у самых любимых модельных организмов в биологии, таких как мухи и нематоды, нервные клетки мелкие, и эти нервные клетки чрезвычайно сложно изучать с помощью самого распространенного у физиологов метода.
Arshavsky Y.I., Deliagina T.G., Orlovsky G.N., Panchin Y.V., Popova L.B., Sadreyev R.I. Analysis of the central pattern generator for swimming in the mollusk Clione. Neuronal Mechanisms for Generating Locomotor Activity, 860: 51-69 (1998)
2. Идентификация нейронов с помощью микроэлектродов
Микроэлектроды, которые можно вставить в одну-единственную клетку и измерить ее работу или при необходимости заставить ее работать или выключиться, были разработаны давно. Оказалось, что есть организмы, у которых клетки очень большие, что облегчает использование этого метода. Кроме того, выяснилось, что у некоторых животных отдельные клетки можно узнавать из опыта в опыт. В результате возникла идея идентифицируемых нейронов: можно обозначить каким-то номером определенный нейрон в одной улитке, а затем у другой улитки найти в мозге такой же нейрон. Таким образом, вы можете исследовать нервную систему на клеточном уровне, на уровне одних и тех же идентифицируемых нейронов.
Один из самых известных примеров таких экспериментов отражен в работе Эрика Кэндела на моллюсках аплизиях. Наша лаборатория использовала другого моллюска, обитающего в Белом море, который называется «морской ангел» (Clione limacina). Он оказался очень удобной моделью для того, чтобы на клеточном уровне, изучая отдельные нервные клетки, объяснить его поведение. Мы изучили на изолированном мозге, как он машет крылышками, как охотится, как ориентируется в пространстве. Если вы используете изолированный мозг, вы можете легко изучать в нем работу отдельных нейронов и исследовать связи между ними.
3. Описание поведения на изолированном мозге
При работе с изолированным мозгом возникает вопрос: а как можно узнать, что бы этот мозг делал, если бы он был соединен с телом? Как задать ему сведения об окружающей среде? Оказалось, что это возможно. Для начала вы определяете, какие нервные клетки управляют какими органами и принимают участие в каких реальных формах поведения. Для этого приходится делать препарат, где нервная система сохраняет связи с определенными мышцами или органами. Стимулируя через микроэлектрод отдельные идентифицируемые нейроны, можно показать, что та или другая клетка при ее раздражении вызывает движения крылышка в одну или в другую сторону или поворачивает хвост. Теперь, работая с изолированным мозгом, мы можем решить, что бы организм делал, если у него были активны те или иные нейроны.
В итоге оказалось, что почти любую форму поведения этого моллюска можно изучать на изолированном мозге и описать на клеточном уровне. Например, теперь нам известно, что у клионы есть предпочтительная ориентация в толще воды. Он обычно плавает головой вверх. И если он перестает плавать, он может вернуть это положение, используя хвост как руль. Но когда очень жарко, то он переворачивается и плывет в глубину, где холоднее. У изолированного мозга можно сохранить связь с органом равновесия, содержащим всего десяток чувствительных клеток. Можно раздражать одну-единственную клетку этого органа равновесия и вызвать у изолированного мозга «иллюзию», что его повернули. Можно изучить те клетки, которые воспринимают эти сигналы и дальше передают их тем клеткам, которые поворачивают хвост. Препарат можно нагревать, раздражать клетки статоцистов, и у него будет иллюзия, что он поворачивается в теплой или холодной воде, можно раздражать клетки, которые в нормальной жизни бы поворачивали хвост и так далее. То есть даже самое сложное, что умеет морской ангел, — охотиться или ориентироваться в пространстве — можно изучить с любой наперед заданной степенью точности на уровне свойств и связей отдельных клеток.
4. Изолирование клеток
Важным достижением, которое помогло нам в этом исследовании, было то, что мы научились прямо изолировать те самые клетки, которые принимают какое-то участие в поведении. Мы можем посмотреть работу не только всей нервной системы, а каждого отдельного нейрона. Но, к сожалению, мы не можем использовать эти методы на более сложных организмах, например на пчелах, потому что число клеток в таких организмах достигает сотен тысяч, и никакими микроэлектродами сделать это невозможно.
Кэндел Э. Клеточные основы поведения. М.: Мир, 1980
5. Перспективы изучения нервных клеток мозга
Недавно произошла важная революция в методах, которые позволят нам разобраться в мозге позвоночных и даже в нашем мозге. Существуют такие бактерии и водоросли, которые видят свет. И у них есть белки, которые делают канал, открывающийся под действием света. В результате этого клетка меняет свою активность: возбуждается или тормозится в зависимости от того, какой это белок. Если такой белок встроить в нервные клетки мозга, например, мыши, то вы, освещая мозг свободно бегающей мыши, сможете влиять на эти нервные клетки. Нервных клеток у нас очень много, но все они разделяются на какое-то количество типов. И эти типы клеток отличаются тем, что у них экспрессируются (синтезируются) определенные белки, характерные только для этих клеток. Перед генами этих белков есть промоторы — это то место, которое запускает синтез РНК. Если вы встроите под такой промотор ген светочувствительного канала, то этот тип клеток вы сможете включать или выключать светом. С другой стороны, были сделаны такие белки, которые светятся в зависимости от концентрации кальция. Вы тоже можете включить его синтез в определенном типе клеток.
Возникает возможность избирательно посмотреть на работу разных типов клеток мозга по тому, как входит в них и выходит кальций. Ученые могут сами включать или выключать эти клетки, запускать или тормозить их. Теперь исследования клеточных основ поведения, которые начинались со скучных опытов на одиночных клетках моллюсков, можно будет проводить и на позвоночных.
Ramirez, S., Tonegawa, S., Liu, X. Identification and optogenetic manipulation of memory engrams in the hippocampus. Front. Behav. Neurosci. 7: 226 (2014)
