Робот-микроскоп анализирует активность нервных клеток у свободно движущихся животных

Исследователи из Университета Осаки и Университета Тохоку разработали новую роботизированную микроскопическую систему, которая автоматически отслеживает свободно движущееся мелкое животное и манипулирует активностью его мозга с помощью «проекционного маппинга».

Система получила название OSaCaBeN или OSB.

Используя этот робот-микроскоп для анализа нематоды C. elegans — круглого червя, широко применяемого в изучении фундаментальных функций мозга, — исследователи выявили функциональное разнообразие нервных клеток, высвобождающих дофамин. Дофамин — это химическое вещество, регулирующее движение, эмоции и мотивацию в мозге животных.

Чтобы понять, как работает мозг, необходимо измерить активность нервных клеток и выдвинуть гипотезу о том, как активность конкретной клетки связана с функцией мозга. Затем гипотезу проверяют, искусственно манипулируя активностью нервной клетки и наблюдая за её влиянием на поведение животного — наиболее заметным результатом работы мозга.

Благодаря последним достижениям в методах генной инженерии активность специфических нервных клеток теперь можно измерять и манипулировать ею оптически под микроскопом. Однако понять связь между поведением животного и активностью конкретной нервной клетки по-прежнему сложно из-за комплексности мозга животного.

Нейробиологи часто используют C. elegans, потому что его очень маленький мозг состоит всего из 302 нервных клеток. При этом он реагирует на различные стимулы (и иногда запоминает их!), используя молекулы, очень похожие на те, что есть у других животных, включая человека. Более того, благодаря прозрачному телу C. elegans активность нервных клеток легко измерять и манипулировать ею с помощью упомянутых оптических методов.

Но анализировать нейронную активность движущихся червей непросто. Черви движутся со скоростью ~0.1 мм в секунду, что крайне сложно отслеживать, так как они покидают поле зрения микроскопа в течение секунды.

Группа профессора Коити Хашимото решила эту проблему, разработав робот-микроскоп, который автоматически отслеживает червя на предметном столике с помощью передовой технологии программного обеспечения, называемой «машинным зрением».

Робот-микроскоп идентифицирует часть головы червя (белый квадрат на рис. 2 внизу слева) на общем изображении и регулирует положение предметного столика, чтобы постоянно удерживать голову в центре поля зрения с точностью ±0.001 мм.

«Хотя такой процесс идентификации изображения обычно занимает несколько часов, робот-микроскоп делает это 200 раз в секунду, — говорит Хашимото. — Это позволяет нам оптически измерять непрерывную активность множества нервных клеток в мозге червя, пока он движется».

Более того, в несколько иной конфигурации система также идентифицирует и отслеживает одну конкретную нервную клетку (из многих) у движущегося червя с помощью другого ПО машинного зрения и манипулирует её активностью с помощью непрерывного освещения тонким световым лучом. Это единственная роботизированная микроскопическая система, которая выполняет как оптическое измерение, так и манипуляцию нервными клетками с таким уровнем точности.

С помощью робот-микроскопа группа профессора Котаро Кимуры выявила функциональное разнообразие нервных клеток, высвобождающих дофамин. У червей известно, что дофамин высвобождается из 4 пар нервных клеток, когда они достигают пищи (газона бактерий). Дофамин также модулирует движение нескольких частей их тела, передачу ощущений и обучение.

Однако то, как пищевой сигнал — самая важная информация для выживания червей — преобразуется в активность дофаминовых нейронов, до сих пор не было понятно.

Исследователи выяснили, что при достижении пищи существенно активируется только дорсальная пара дофаминовых нейронов (CEPD) (Рис. 2). Более того, искусственная активация CEPD вызывала изменения в поведении, аналогичные тем, что наблюдаются при достижении пищи.

Однако структурно похожая дорсальная пара дофаминовых нейронов (CEPV) не активировалась при достижении пищи, и искусственная активация CEPV не вызывала поведенческих изменений, аналогичных активации CEPD. Вероятно, CEPV активируется в другой ситуации и играет иную роль в модуляции поведения. Таким образом, исследователи показали, что даже структурно симметричные дофаминовые нейроны имеют асимметричные функции.

«Мы будем анализировать больше взаимосвязей между мозгом и поведением, используя роботизированную микроскопическую систему на червях, а также на рыбках данио, — говорит Кимура. — Мы хотели бы понять основные принципы работы мозга с помощью анализа этих простых животных».