З першого десятиліття 2000-х років почався значний прогрес у дослідженнях нервової системи. Багато мозкових і нервових процесів можна дослідити донині немислимими деталями і зрозуміти набагато точніше, ніж раніше. На їх основі очікується переписати багато підручників. А виходячи з нових результатів, можна буде швидше та успішніше вилікувати захворювання нервової системи.
У чому причина такого стрімкого розвитку?
Існує три основних методологічно-технологічних стовпи розвитку:
- Більш точне вивчення функції окремих молекул, що беруть участь у нервовій діяльності, тобто вторгнення молекулярної біології в нейронауку.
- Можливість увімкнення та вимкнення окремих типів нейронів та ділянок мозку за бажанням, т. Зв застосування оптогенетики в нейронауці.
- Надзвичайний розвиток мікроскопічних досліджень, тобто поширення надрезолюційної візуалізації в нейронауці.
Що означає вторгнення молекулярної біології в неврологію?
Нервова система складається з найрізноманітніших нейронів, і кожна клітина виробляє найрізноманітніші молекули. Прикладами таких молекул є нейромедіатори та білки (рецептори), які їх відчувають. Вони використовуються нервовими клітинами для зв’язку між собою.
Щоб зрозуміти, як працює нервова система, важливо з’ясувати, яку роль виконує кожна молекула.
За допомогою методів молекулярної біології для дослідників стало можливим вивчати молекули так, як вони вважають за потрібне. Для будь-якого типу нервових клітин вони можуть модифікувати молекули, що виробляються клітинами, і побачити, як в результаті змінюється функція нервової системи або частини нервової системи.
Приклад: сполука, названа ГАМК (гамма-аміномасляна кислота), є одним з найважливіших нейромедіаторів у нервовій системі. Однак існує велика різноманітність молекул, які відчувають ГАМК, але рецептори ГАМК. На ці рецептори впливає значна частина препаратів нервової системи, таких як снодійні, знеболюючі засоби тощо. В експериментах на тваринах тепер можна дослідникам вибрати один із найрізноманітніших рецепторів ГАМК, модифікувати їх та вивчити вплив лише цього на різні види діяльності, такі як полегшення болю, сон або навіть розвиток епілепсії.
Які можуть бути практичні переваги від цього?
Як тільки точна роль кожної молекули та її точна функція з’ясуються, її можна використовувати для цілеспрямованого загоєння. Уже існують клінічні випробування, в яких у дуже важких випадках білки, нейромедіатори та молекули ліків вводяться в мозок людини за допомогою «корисних» вірусів, щоб здійснювати свій вплив на місцевому рівні. Наприклад, молекула, яка пригнічує нервову діяльність, вводиться в область, яка викликає епілептичні напади. Хвороба Паркінсона також окреслює новий препарат, орієнтований на мозок, який може запобігти швидкому виснаженню дофаміновмісних клітин, що є причиною захворювання.
Чому застосування оптогенетики в нейронауках є революційно новим підходом?
Якщо в минулому роль окремих ділянок мозку в різних видах діяльності, таких як їжа, сон і навчання, вивчалася, цього було досягнуто або викоріненням (інактивацією) певних ділянок мозку, або активізацією їх за допомогою електростимуляції. Однак у кожній області мозку існує безліч типів нейронів, і ця область мозку містить не тільки клітини, але й нервові волокна, які надходять сюди і проходять сюди. Функціонування області мозку реалізується завдяки взаємодії цих компонентів. Ми насправді розуміємо цю функцію, якщо можемо розглянути кожен елемент окремо. Однак це поки що було неможливо.
Однак останніми роками спостерігаються запаморочливі події і в цій галузі. На практиці ділянки мозку та типи нейронів можна вмикати та вимикати за бажанням, тобто їх функцією можна керувати як у просторі, так і в часі. Таким чином, можна точно сказати, яка роль кожної ділянки мозку та типу клітин у життєвому процесі.
«Перемикання» здійснюється за допомогою світла. Це тому, що вони виявили білки, які можуть активуватися з заданою довжиною хвилі світла, які також є іонними каналами. Відкриття та закриття подібних іонних каналів також забезпечує нормальну роботу нейронів. Коли ці світлочутливі іонні канали піддаються дії світла, вони відкриваються, а нейрони або активуються (деполяризуються), або інактивуються (гіперполяризуються) при використанні інших білків.
Ген, що кодує світлочутливий іонний канал, вводиться в область мозку для дослідження з використанням вірусу. Ген експресується, тобто утворюються світлочутливі іонні канали, які включаються в мембрану нейронів, що підлягають модифікації. Тоді залишається лише цілеспрямовано висвітлити область мозку, навіть за допомогою волоконної оптики, і вивчити його роль, вмикаючи та вимикаючи світло.
Які можуть бути практичні переваги від цього?
Оптогенетичні методи можна будь-яким чином вмикати і вимикати певні елементи нервової системи. З отриманих таким чином спостережень можна визначити роль кожного елемента у здоровій роботі мозку та те, який елемент пошкоджений при даному захворюванні. Виходячи з цього, можна запланувати цільовий препарат або лікування. Приклад ще більш прямого застосування: дегенерація сітківки в даний час намагається зберегти зір, піддаючи очі таким фоточутливим молекулам.
Яке розповсюдження зображення суперрезолюції в нейронауці?
До цього часу дослідники використовували світлову та електронну мікроскопію для дослідження структури нервової системи. Світловий мікроскоп простий у використанні, але з ним не можна спостерігати дрібних деталей: структури, менші одного мікрометра, вже неможливо розрізнити (мікрометр становить тисячну частку міліметра). Проте в нервовій системі є багато дрібніших речей, напр. синапси, що з'єднують нейрони, складають лише кілька сотень нанометрів (нанометр - це тисячна частка мікрометра).
Нанометрові структури також можна побачити за допомогою електронного мікроскопа, але він дуже дорогий, громіздкий і трудомісткий у використанні, і живу клітину з ним не можна спостерігати (через спосіб підготовки зразка).
Мікроскопія надвисокої роздільної здатності увірвалася у цю величезну щілину, яка обманює межу розчинення світлової мікроскопії певними хитрощами і здатна дозвіл наближатись до рівня електронного мікроскопа відносно простими методами. Метод, який був удостоєний Нобелівської премії з хімії в 2014 році, вперше був використаний в Угорщині в КОКІ Угорської академії наук. Суперрезолюції можуть навіть вивчати синапси живих клітин з роздільною здатністю 20-40 нанометрів.