Wi-Fi за неврони: Първа карта на безжични нервни сигнали

Проучванията откриват гъсто свързана мрежа от неврони, които комуникират от разстояние, а не чрез синапси.

Идеята, че нервната система предава съобщения от една нервна клетка на друга само чрез синапси – точките, където клетките се свързват – се променя. Две проучвания показват как съобщенията могат да преминават между клетките на по-големи разстояния чрез "безжична" нервна мрежа в червея Caenorhabditis elegans.

Все още изследователите не могат да кажат до каква степен се използва тази безжична комуникация - тя се случва, когато молекула, наречена невропептид, се освобождава от един неврон и се прихваща от друг отдалечен неврон.

Новите проучвания, публикувани в Nature и в Neuron, за първи път начертават цялата мрежа от невропептидна комуникация в моделен организъм.

Създатели на карти

Вече е разработена анатомична карта на окабеляването на насекомо. Картата на структурата на връзките в целия мозък, наречена конектом, проследява всички 3 016 неврона и 548 000 синапса в централната нервна система на 6-часова женска дрозофила (плодова муха) Drosophila melanogaster - от аксоните, които доставят сензорни данни до мозъка, до дендритите на невроните, които изпращат мозъчни сигнали за контрол на движението. (вж "Революция в невронауката: Първата пълна карта на мозъчните неврони на насекомо")

Уилям Шейфър (William Schafer), невроучен в MRC Лабораторията по молекулярна биология в Кеймбридж и колегите му решават да проучат каква е ролята на невропептидите, смятани досега просто за помощници в съобщенията на нервната система, които произволно се движат от един неврон към следващия.

Те анализират кои неврони в нервната система на червея C. elegans експресират гени за определени невропептиди и кои експресират гени за рецепторите на тези невропептиди.

Използвайки тези данни, екипът прогнозира кои двойки нервни клетки може да комуникират безжично. Въз основа на тези резултати изследователите генерират потенциална карта на безжичните връзки в червея, откривайки плътна свързаност, която изглежда много различна от анатомичната електрическа схема на C. elegans. Те публикуват откритията си в Neuron миналата седмица.

Независимо от тях, екип, ръководен от Андрю Лейфър (Andrew Leifer), невроучен от Принстънския университет в Ню Джърси, започна да изучава как сигналите преминават през C. elegans чрез измерване на невронната активност, което разкрива приноса на тази безжична мрежа. Екипът използва оптогенетика, техника, която използва светлина и светлочувствителни протеини, за да задейства нервните клетки, така че те да изпращат електрически "съобщения". Един по един изследователите активират всеки от 302-та неврони на C. elegans и след това показват как сигналите се разпространяват от един неврон към друг.

Измервания на невронната активност в главата на червей като отделните неврони се стимулират оптически един по един, виждани като тъмночервени в тази визуализация.

Изследователите са използвали оптогенетика, за да стимулират всеки неврон на C. elegans и (показани тук с кръстосани пунктирни линии) и след това наблюдават как електрическият сигнал се разпространява към други нервни клетки (мигащи в червено). Кредит: Francesco Randi, Princeton University

Картата на активността, която създават, не следва предвиденото за C. elegans въз основа само на неговия стандартен конектом - и учените подозират, че невропептидната комуникация е липсващата част. Така те създават генетично модифициран червей, който няма протеин, който е от решаващо значение за този тип сигнализиране, и виждат, че когато се опитат да активират клетките на червея с оптогенетика, много от невроните не реагират. Това предполага, че безжичната комуникация в червея директно активира невроните.

Когато изследователите разработват описание на невронната активност в C. elegans, откриват, че модел, включващ както кабелни синаптични връзки, така и безжично сигнализиране, предсказва по-добре как сигналите пътуват в червея, отколкото само синаптичните връзки. Екипът публикува резултатите си в Nature по-рано този месец и ги представи на срещата на Обществото за невронаука във Вашингтон на 14 ноември.

Изцяло нов поглед

"Беше изненадващо да се види колко [невропептидна] комуникация всъщност може да доведе до директно активиране на неврони", разказва Франческо Ранди (Francesco Randi), първи автор на статията в Nature, който е извършил работата, докато е бил в Принстън.

"Невропептидната мрежа се смяташе за помощник за синаптичната сигнализация", коментира Изабел Бийтс (Isabel Beets), невроучен в Католическия университет в Льовен, Белгия, и автор на проучването в Neuron. "Но обширният мащаб на тази сигнална карта наистина показва, че тя е еднакво важна, сложна и може би дори по-разнообразна от синаптичната сигнална мрежа."

Лекарства като популярното лечение за отслабване семаглутид (Wegovy) могат да активират невропептидни рецептори в тялото, така че разбирането на тази безжична мрежа е важно, смята Шейфър.

Следващите стъпки за Шейфър и колегите му ще бъдат да предприемат подобни проучвания в други организми - с цел да разберат как невропептидната мрежа, в комбинация с "кабелната" синаптична мрежа, допринася за поведението на организма. Техниката, публикувана в Science миналата седмица, която позволява на изследователите да визуализират къде невропептидите се свързват с техните рецептори, може да помогне в това търсене. Тъй като невропептидите се запазват при различните видове, някои изследователи подозират, че тази мрежа може да изглежда подобно на тези в други организми, включително хора.

"Двата документа са красиви примери за възползване от един прост, добре проучен организъм с много молекулярни и генетични инструменти, за да започнем да научаваме уроци, които съм 100% сигурен, че ще приложат към всички животни", отбелязва Стивън Смит (Stephen Smith), невроучен в Института Алън в Сиатъл, Вашингтон.

Изследователите се надяват, че откритията ще стимулират другите да променят представата си за това как възниква невронната динамика. 

Справка:

1. Randi, F., Sharma, A. K., Dvali, S. & Leifer, A. M. Nature 623, 406–414 (2023). Article  PubMed  Google Scholar 

2. Ripoll-Sánchez, L. et al. Neuron 111, 3570–3589 (2023). Article  PubMed  Google Scholar 

3. Wang, H. et al. Science 382, eabq8173 (2023). Article  PubMed  Google Scholar 

Източник: Wi-Fi for neurons: first map of wireless nerve signals unveiled in worms, Claudia López Lloreda, Nature

Още по темата

23/11/2023

Животът

На първи път: Бактерии съхраняват спомени и ги предават за поколенията

05/10/2023

Скептик

Свободна воля: Може ли невронауката да разкрие дали сами правим изборът си?

14/03/2023

Медицина

Революция в невронауката: Първата пълна карта на мозъчните неврони на насекомо (видео)

21/03/2023

Медицина

Езикът, на който говорим, формира връзките в мозъка ни