Высокоскоростная 3-D микроскопия запечатлела работу нервных клеток личинок дрозофилы в действии

Инженеры и нейробиологи Колумбийского университета создали 3-D видео движения, растяжения и активации отдельных нервных клеток внутри свободно движущихся личинок дрозофилы. Данные с этих видео раскрывают, как проприоцептивные нейроны работают вместе, помогая телу ощущать свое положение в пространстве. Для этого исследователи использовали микроскоп SCAPE, разработанный в Колумбийском университете для сверхбыстрой визуализации нейронов.

Результаты, опубликованные в Current Biology, демонстрируют способность SCAPE раскрывать работу нервной системы с беспрецедентной детализацией. Создавая 3-D видео нервных клеток в теле ползающих личинок, SCAPE позволил увидеть, как именно эти клетки в стенке тела передают информацию о движении в мозг.

«Мы знали, что мозг получает сенсорные сигналы через электрические импульсы в нейронах, но не понимали, почему определенные типы нейронов расположены в конкретных позициях или как разные паттерны сигналов соответствуют разным движениям», — сказал Уэсли Грубер, соавтор исследования. — «Чтобы понять этот процесс, нам нужно было узнать, какие сигналы нейроны посылают, пока личинка свободно ползает».

«Хотя мы могли создать личинок, у которых нейроны вспыхивали флуоресценцией при активации, их было очень сложно снимать», — отметила Ребекка Ваадия, соавтор исследования. — «Даже наши самые быстрые микроскопы требовали ограничения движений животного, поэтому мы не могли зафиксировать естественную нейронную активность, пока не начали использовать SCAPE».

«Мы разработали SCAPE для очень быстрой 3-D визуализации», — пояснила Элизабет Хиллман, соавтор исследования. — «Мы быстро обнаружили, что можем записывать вспышки нервных клеток у ползающих личинок дрозофилы. Наша высокая скорость позволила одновременно измерить сложные 3-D движения тела и активность нейронов в реальном времени».

Визуализация породила огромный массив данных. Чтобы его обработать, команда разработала алгоритмы для отслеживания каждой проприоцептивной клетки и определения точного момента ее активации при сжатии и растяжении тела во время ползания.

«Мы увидели, что положение каждой клетки делало ее чувствительной к конкретным изменениям формы тела. Когда мы выстроили все сигналы нейронов, то увидели детальную последовательность, отражающую движение каждой части тела», — сказал Вэньцзэ Ли, соавтор исследования. — «Это было похоже на прекрасный механизм».

«Наши эксперименты последовательно показывали, что каждый проприоцептивный нейрон реагировал по-разному, когда личинка ползала. Это наблюдение было бы невозможно, если бы личинка была обездвижена», — сказал доктор Грубер. — «Мы видели в реальном времени, как одни нейроны активировались при растяжении тела животного, а другие — при его сжатии».

Ученые давно предполагали, что в проприоцепции есть избыточность, поскольку отключение одного или даже нескольких нейронов лишь замедляло ползание личинки. Однако данное исследование показало, что каждый нейрон играет свою, немного отличную роль и расположен точно для восприятия конкретных аспектов движения животного. Команда продемонстрировала, что это правило работает не только для ползания, но и важно для кодирования более сложных движений.

«Мы значительно продвинулись в расшифровке кода этих клеток», — сказала Ваадия.

Микроскопия SCAPE (swept confocally aligned planar excitation), впервые описанная доктором Хиллман и коллегами в 2015 году, формирует 3-D изображения живых образцов, сканируя их листом лазерного света. Ее изобретательность заключается в возможности проецировать и детектировать этот движущийся световой лист через один стационарный объектив. SCAPE обеспечивает скорость 3-D-визуализации до 500 раз выше, чем у обычных микроскопов, сканирующих объекты точку за точкой.

SCAPE особенно хорошо подходит для визуализации мелких организмов, таких как дрозофила, поскольку они достаточно прозрачны и малы, чтобы снять весь их мозг или тело — и отдельные клетки внутри.

«У мух, червей и рыб мозг намного проще, чем у человека, но это дает нам шанс понять, как работает целая нервная система, клетка за клеткой», — сказала доктор Хиллман. — «У нас есть веские основания полагать, что понимание этих простых систем поможет в изучении более сложных, включая млекопитающих».

Возможность SCAPE запечатлеть мозг в действии появилась как нельзя вовремя, поскольку такие проекты, как Fly and Human Connectome Projects, нацелены на создание детальных карт структуры и связей нервной системы. Главная цель BRAIN Initiative (который финансировал разработку SCAPE и сотрудничество докторов Хиллман и Грубера) — расшифровать эти взаимосвязи структуры и функции. Конечная цель — использовать такие инструменты, как SCAPE, чтобы понять, как именно миллиарды связей между клетками мозга вместе с их сложной активностью порождают весь репертуар сложного поведения.

«Мы показали, что SCAPE может отслеживать и картировать проприоцептивные нейроны у ползающей личинки дрозофилы, и это лишь первое из многих исследований, которые теперь могут изучать нервные системы мух и других животных», — сказал доктор Ли. — «Теперь мы можем буквально пометить любой тип клетки и выяснить, что она делает, когда животное двигается, ест или даже формирует память; возможности безграничны».

Статья озаглавлена: «Characterization of proprioceptive system dynamics in behaving Drosophila larvae using high-speed volumetric microscopy».