Наблюдения за работой нейронов живых мышей помогают решить фундаментальные вопросы

  • 300
  • 0,7
  • 0
  • 0
Добавить в избранное
Пятерка основных вкусов.
Американские ученые проследили за работой нейронов живых мышей, чтобы узнать, как устроены нервные пути, восходящие от рецепторов разных вкусов. В результате удалось прояснить, почему мы различаем только пять основных вкусов, а более сложных их комбинаций, как правило, не получается.

Для каждого из пяти вкусов — сладкого, кислого, горького, соленого и умами — существует отдельный тип рецепторов, располагающихся на мембранах клеток эпителия языка и распознающих свойства пищи. Однако сохраняется ли специфичность ко вкусам и в вышестоящих нервных центрах, до сих пор оставалось невыясненным. Методы биоинженерии и техники микроскопии к настоящему времени достигли такого развития, что узнать ответ на этот вопрос можно, буквально посмотрев собственными глазами, что происходит с нейронами животных, распознающих разные вкусы*. Именно такую работу проделали американские ученые, опубликовавшие ее результаты в недавнем выпуске Nature [1].

* — На «биомолекуле» уже публиковались статьи про исследования механизмов восприятия ощущений: вкуса газировки [2], горького вкуса рецепторами, располагающимися почему-то на поверхности бронхов [3], восприятие холода рецепторами температурной чувствительности [4] и боли TRP-рецепторами нейронов [5]. — Ред.

Как можно увидеть активность нейронов? Во время возбуждения этих клеток у них в цитоплазме увеличивается количество ионов кальция. Таким образом, чтобы увидеть активацию нейрона, достаточно научиться «следить» за ионами кальция. В этом ученым помогает искусственно созданный белок-индикатор, который флуоресцирует зеленым, когда связывается с кальцием. Он был создан на основе зеленого флуоресцентного белка медузы Aequorea victoria [6], цепочку которого специально «разорвали» в определенном месте так, чтобы «разорванный» белок почти не светился сам по себе. На концах разрыва поместили «застежки» — белок кальмодулин, способный связывать кальций, и пептид М13, с которым кальмодулин может взаимодействовать, связав кальций. Встретившись с кальцием, кальмодулин и М13 на концах «разрыва» в флуоресцентном белке сближаются, восстанавливая его структуру, благодаря чему белок начинает флуоресцировать зеленым. Если такой белок-индикатор попадает в клетку, то можно будет наблюдать зеленое свечение там, где присутствует кальций.

Следующей задачей на пути к расшифровке путей, идущих от вкусовых окончаний, стало получение животных, несущих в своих нейронах белок-индикатор на кальций. Чтобы вырастить таких животных, ген, кодирующих белок-индикатор, вводят в оплодотворенные яйцеклетки. После делений яйцеклетки какие-то из клеток зародыша получат искусственный ген, однако, далеко не все. На этом этапе исследователям нужно отобрать животных, которым ген попал в половые клетки. С их потомства начинаются линии генетически-модифицированных мышей [7]. Кроме такого метода получения трансгенных животных, ученые также использовали доставку искусственного гена прямо в мозг мышам с помощью модифицированных вирусов. В результате получились два типа трансгенных мышей, нейроны которых флуоресцировали зеленым при активации. Оба типа животных оказались подходящими для экспериментов, и использовались в дальнейшей работе.

Итак, были получены мыши, нейроны которых светились зеленым во время передачи импульса. Но и этого, конечно, недостаточно, чтобы проследить за работой нейронов живых животных, ведь нужно еще и придумать, как увидеть нейроны, находящиеся под непрозрачными покровами. Здесь исследователи воспользовались тем, что для наблюдения им достаточно было лишь одного небольшого нервного узла — ганглия коленца, в который приходят все отростки вкусовых рецепторов передней части языка и твердого неба. Над ганглием каждой мыши был проделан тонкий канал (под анестезией, разумеется), в который поместили крошечную линзу (рис. 1). С ее помощью на изучаемом ганглии сфокусировали двухфотонный микроскоп, примечательный тем, что использующиеся в нем лазеры с большими длинами волн характеризуются низкой энергией и причиняют минимальный вред объектам. Второе их достоинство — хорошее разрешение, которое тоже достигается благодаря большим длинам используемых волн, которые меньше рассеиваются.

Рисунок 1. Схема наблюдения за нейронами. а — оптический доступ к исследованному ганглию коленца. Линзу диаметром в 1 мм помещали в тонкий канал, ведущий к ганглию, и использовали для двухфотонной микроскопии. b — разные нейроны ганглия активировались в ответ на разные вкусы. На этой картинке нейроны раскрашены в псевдоцвета, отражающие яркость флуоресценции, а на самом деле все они светились зеленым цветом.

Благодаря всем этим ухищрениям и продвинутым технологиям ученые смогли наблюдать, какие клетки ганглия активируются в ответ на растворы с разными вкусами, которые давали мышам. В теории мог наблюдаться 31 тип специфичностей — каждый нейрон ганглия мог активироваться в ответ на сигнал от одного типа рецепторов, или любой пары, тройки или четверки рецепторов, а также от всех пяти типов рецепторов сразу. Однако оказалось, что почти все нейроны ганглия активируются в ответ на сигнал лишь от одного типа вкусовых рецепторов. Лишь около 1% нейронов ганглия могли активироваться и горьким, и кислым вкусами, или же и сладким, и вкусом умами. Последнее не так уж странно в силу того, что рецепторы сладкого вкуса и умами состоят из субъединиц, очень сходных между собой. Интересно, что грызуны, по-видимому, не различают эти два вкуса, хотя для каждого из них в их коре головного мозга есть отдельное «представительство».

Загадочными казались нейроны, отвечающие и на горький, и на кислый вкус, ведь соответствующие рецепторы не похожи, и трудно было ожидать здесь такой же «путаницы», которая, по-видимому, происходит иногда между сладким вкусом и вкусом умами. Исследователям стало интересно узнать, действительно ли клетки ганглия получают сигналы и от рецепторов горького, и рецепторов кислого вкуса. Оказалось, что блокирование рецепторов кислого вкуса не влияет на активацию таких биспецифичных нейронов ганглия. Можно было предположить, что рецепторы горького активируются, в том числе, и кислым вкусом. И действительно, при блокировании рецепторов горького вкуса биспецифичные нейроны ганглия уже возбуждались ни в ответ на горький, ни в ответ на кислый вкус. Таким образом, правило: «один нейрон ганглия получает входящий сигнал лишь от одного типа вкусовых рецепторов» подтверждается и в этом случае.

Для составных вкусов в основном наблюдалась картина простого суммирования по компонентам — то есть, если мыши давали попробовать комбинацию растворов со сладкими и кислыми вкусами, то в ганглии активировались нейроны, отвечающие на сладкий вкус, и нейроны, отвечающие на кислый вкус, а никаких более сложных взаимодействий не было обнаружено.

Авторы отметили, что в будущем было бы интересно поискать нейроны, вызывающие бессознательное отторжение или, наоборот, удовольствие от вкуса. Эти реакции могут возникать так быстро, что явно не задействуют сознательного анализа, и, по-видимому, не нуждается в активности коры головного мозга. Благодаря мощной инструментальной базе, которой располагают авторы, их будущие исследования устройства головного мозга несомненно будут технологичными, зрелищными и увлекательными.

Литература

  1. Barretto R.P.J., Gillis-smith S., Chandrashekar J., Yarmolinsky D.A., Schnitzer M.J., Ryba N.J.P., Zuker C.S. (2014). The neural representation of taste quality at the periphery. Nature 517, 373–376;;
  2. В основе вкуса газировки;
  3. Запах горького ветра;
  4. «Мятный холодок»: почему ментол создаёт ощущение прохлады во рту;
  5. Жгучий перец облегчит боль;
  6. Флуоресцирующая Нобелевская премия по химии;
  7. Нобелевскую премию по физиологии и медицине вручили за технологию нокаутирования мышей.

Комментарии