Neurony v mozku vydávají pod mikroskopem své tajemství

Přebrat se 80 miliony myších a 86 miliardami lidských neuronů, oněch jemných mikroskopických stavebních bloků, to není snadný úkol. Nová studie Allenova institutu mozkové vědy, která byla 18. června 2019 uveřejněna v časopise Natural Neuroscience, popisuje široký profil typů neuronů v mozku založený na dvou důležitých charakteristikách těchto buněk. Jejich 3D tvaru a zpracování elektrických signálů.

Studie, která těžila z dosud největší sady dat o dospělých laboratorních myších svého druhu, je součástí širší snahy Allenova institutu o objev mozkové “periodické tabulky” prostřednictvím rozsáhlého průzkumu typů mozkových buněk.

Výzkumníci doufají, že lepší porozumění typům buněk zdravého savčího mozku položí základ k odhalení těch typů buněk. Ty jsou základem mozkových poruch a nemocí. 

Když si představíte klasickou periodickou tabulku, chemické prvky jsou v ní popsány a utříděny mnoha způsoby. Podle hmotnosti, chemických vlastností, zda jde o kovy či nikoliv. Neurovědci čelí podobné výzvě. Daný neuron bude mít mnoho různých osobnostních prvků, kterými se bude odlišovat od ostatních typů neuronů. A sice tvar, chování, jedinečnou sadu genů, které spíná, pozici v mozku a další typy buněk s nimiž reaguje.

Jak lze definovat buněčný typ neuronů v mozku?

„Aby porozuměli činnosti jednotlivých neuronů v mozku, museli vědci prozkoumat všechny tyto atributy,“ říká Hongkui Zeng, Ph.D., zodpovědný autor studie a výkonný ředitel Strukturální vědy na Allenově institutu mozkové vědy, oddělení Allenova institutu.

“Buněčný typ je skupina buněk, jejichž funkční vlastnosti jsou si podobné. Avšak my nevíme přesně, o jaké vlastnosti se jedná,” říká Zeng. “Neměli bychom hledat jediný rys. Musíme prozkoumat co nejvíce buněčných rysů a ptát se, zda jsou navzájem konzistentní.

V této studii se výzkumný tým probral neurony z části myšího mozku zodpovědné za vizuální zpracovávání. Našel několik tuctů různých typů neuronů v mozku. Pozorně analyzoval elektrickou aktivitu téměř 2000 neuronů a detailní 3D tvar (také známý jako morfologie) téměř 500 stejných buněk.

Výzkumníci také zjistili, že tyto nové kategorie buněčných typů se shodují s kategoriemi z loni uveřejněné doplňkové studie. V té použili výzkumníci z Allenova institutu genovou expresi. Tedy seznam genů, zapnutých v jakékoliv jednotlivé buňce, aby roztřídili téměř 24000 mozkových buněk na různé typy.

„Skutečnost, že různé prvky buněčných vlastností formují podobné skupiny buněčných typů dává výzkumníkům jistotu, že jsou na správné cestě k jejich kategorizaci,“ říká neurovědkyně Staci Sorensen, která vede morfologický tým na Allenově institutu pro mozkovou vědu.

Je zároveň vedoucí autorkou studie spolu s Nathanem Gouwensem Ph.D. a Jimem Bergem, Ph.D. “Pokud najdeme podobnosti napříč několika vlastnostmi buněk, pak si budeme jistější, že máme biologický významný buněčný typ,” říká Sorensen.

Proč záleží na tvaru a aktivitě neuronů v mozku

Aktivita a tvar buněk poskytují výzkumníkům vodítka k činnosti jednotlivých buněk v širším kontextu neurálních okruhů mozku. Elektrická signalizace využívá pulzů. Takže takzvané vrcholy akčních potenciálů jsou takřka univerzálním idiomem způsobu, jakým neurony vzájemně komunikují. Různé neurony jsou vyladěné, tak, aby posílaly a přijímaly různé vzorce těchto vrcholů.

Porozumění těmto signálům pomáhá výzkumníkům rekonstruovat způsob, jakým tyto neurony v mozku mohou být propojeny v okruhu. Vodítkem je při tom také jejich tvar.

“Tvar buňky vypovídá o tom, jak je buňka propojena s dalšími buňkami,” říká Gouwens, výpočetní neurovědec na Allenově institutu. “Zajímá nás, jak jsou buňky vzájemně propojené. Protože to je způsob, jakým utvářejí okruhy ke zpracování informací.”

Údaje pro komunitu

Vědci doufají, že tyto veřejně dostupné údaje – spolu s údaji o genové expresi typů mozkových buněk, jež jsou všechny součástí Allenovy databáze buněčných typů – umožní hlubší průzkum specifických typů buněk při zdraví a při nemoci.

Pokud se například bude výzkumný tým zabývat genem vztahujícím se k určité nemoci v mozku, uvidí, které typy buněk tento gen spínají. Nebo umožňují jeho expresi.

A následně mohou zkoumat tvar a aktivitu těchto neuronů, aby mohli sestavit nové hypotézy o chování tohoto genu a zjistit, co se mohlo pokazit v případě nemoci, pakliže gen zmutoval, nebo chybí.

“Mohou sestavit hypotézu o tom, jak může dysfunkce genu změnit příslušný buněčný typ, jak to může vést ke specifickým efektům,” říká Berg, neurovědec na Allenově institutu mozkové vědy, který vede tým, měřící elektrickou aktivitu neuronů. “Je k tomu potřeba zpracovat velké množství čísel, aby lidé údajům důvěřovali, ale myslím, že jsme se do té fáze konečně dostali.”

Nezaujatý přístup

Aby mohli studovat morfologii neuronů, musí výzkumníci nejdříve identifikovat jednotlivou buňku mezi propojenou změtí dalších neuronů a podpůrných buněk v myším mozku. Tým pracuje s geneticky pozměněnými myšmi, jejichž určité neurony svítí pod mikroskopem zářivými barvami, což výzkumníkům umožňuje snadno rozeznávat jednotlivé neurony.

Výzkumníci pak používají stejné mikroskopické vzorky ke zkoumání elektrické aktivity buněk, když studují jejich reakce na různé typy elektrických vstupních signálů.

Vzhledem k tomu, že tyto pokusy jsou velmi pracné, výzkumné skupiny obvykle zkoumají současně jen jeden nebo pár buněčných typů vybraných často na základě specifické otázky. Tým Allenova institutu se však chtěl s tímto problémem poprat širším a nezaujatým způsobem, takže studuje neurony v mozku za stejných pokusných podmínek a ze stejné oblasti mozku a může je tak snadněji vzájemně porovnávat.

“Místo abychom měli v hlavě seznam buněčných typů a rozdělovali buňky do příslušných kategorií necháváme kategorie vzejít z údajů,” říká Gouwens. “Snažíme se být férově nezaujatí a sledujeme, jaký tvar nabírají naše údaje.” (zdroj: technologynetworks.com)