20-кратное растяжение мозга позволило рассмотреть устройство синапсов

20-кратное растяжение мозга позволило рассмотреть устройство синапсов

Американские ученые усовершенствовали методику микроскопии, основанную на физическом увеличении размеров образцов мозга. В нынешнем виде она позволяет визуализировать структуры, формирующие синапс, с помощью обычного светового микроскопа. Описание метода приводится в журнале Nature Methods.

Визуализация с помощью световой микроскопии ограничена дифракционным пределом до максимального разрешения приблизительно в 300 нанометров. Чтобы преодолеть это ограничение, сотрудники Массачусетского технологического института и Гарвардского университета недавно разработали методику микроскопии растяжения (expansion microscopy, ExM). Она состоит в том, что образец ткани мозга обрабатывают набором антител и флуоресцентных белков, помечающих интересующие ученых структуры, после чего этот образец пропитывают гелем из полиакриламида, фиксирующего положение меченых биомолекул, и механически гомогенизируют.

При погружении в воду гель равномерно увеличивается примерно в 4,5 раза от первоначального объема, зафиксированные в нем структуры также увеличиваются пропорционально. Это повышает разрешение световой микроскопии примерно до 60–70 (~300/4,5) нанометров. Тем не менее, для визуализации формирующих синапсы структур (например, шипиков дендритов — мест контакта с аксонами других нейронов) этого недостаточно.

Чтобы дополнительно повысить разрешающую способность метода, тот же научный коллектив предложил проводить подготовку образца в две стадии. Первая стадия выполняется так же, как оригинальная ExM с использованием полимеризующего гель состава, который впоследствии можно удалить. Вторая стадия проводится аналогично первой, только в ней в качестве исходного образца используется уже растянутый гель с мечеными молекулами, который перед повторным растяжением вымывают.

Такая методика, получившая название микроскопии итеративного растяжения (iterative expansion microscopy, iExM), позволяет увеличить образец еще примерно в 4,5 раза, что соответствует приблизительно 20-кратному растяжению от первоначального объема. Благодаря этому разрешающая способность световой микроскопии позволяет рассматривать структуры с изначальным размером около 25 нанометров.

В эксперименте метод iExM позволил визуализировать и провести трехмерную реконструкцию устройства синапсов и ветвления дендритов нейронов различных структур мышиного мозга (в частности, гиппокампа и бледного шара) и проследить за отдельными нейронными цепями в них, для чего у обычной световой микроскопии и ExM недостаточно разрешения.

Методики изучения нервной ткани постоянно совершенствуются. Так, например, нейробиологи научились искусственно создавать нейронные ансамбли, печатать аналоги мозговой ткани на 3D-принтере, восстанавливать утраченные нейрональные связи светом и сохранять их при заморозке образцов, а также наблюдать за эпигенетической регуляцией работы мозга в реальном времени.

Трехмерное моделирование коннектома во фрагменте крысиного гиппокампа позволило пересмотреть классификацию синапсов и дать новую оценку информационной емкости мозга — по мнению ученых, она превышает петабайт, что примерно соответствует объему всей информации в интернете.

Также современные методики визуализации и работы с данными позволили исследователям построить полную модель коннектома дрозофилы и создать атлас человеческого мозга с микронным разрешением.

Олег Лищук

N+1

Похожие новости:
Ученые создают молекулярную модель головного мозга
В настоящий момент, более чем в восьмидесяти институтах соединенных штатов Америки, Китая, Японии и Европы, ведется совместная работа над созданием человеческого мозга. Эксперты ученые планируют в ближайшем будущем создать полноценно работающую модель мозга на молекулярном уровне. По предварительным ..
2014-02-18 1324 0 Разное, интересное
0
Создана управляемая активностью мозга модель вертолета
Американские исследователи из университета Миннесоты построили управляемую электрической активностью мозга модель вертолета. При этом их разработка не предполагает вживляемых электродов, активность мозга регистрируется при помощи электроэнцефалографии. Подробности приводит официальный сайт университета с отсылкой к статье в Journal of Neural ..
2013-06-6 844 0 Разное, интересное
0
США вложат $100 млн в разработки искусственного мозга
В разработке компьютерной модели головного мозга человека примут участие порядка 80 научных институтов Европы. О запуске проекта под названием BRAIN объявил Барак Обама. Модель будет представлять собой своеобразную карту мозга с описанием процессов мышления, памяти ..
2013-05-1 1033 0 Разное, интересное
0
Ученые раскрыли секрет внутренней речи
Новое исследование позволило ученым разгадать внутренний голос. Способность человека слышать внутренний голос в своей голове даже если отсутствует фактический звук, объясняется прогнозируемым сигналом мозга. Читая газету или составляя график в течение дня, вы можете слышать ..
2014-01-16 1088 0 Разное, интересное
0
Ученые выяснили какая музыка стимулирует мозг
Новые исследования ученых определили, какая музыка больше подходит для стимуляции мозга. Для анализа человеческой реакции на музыку ученые выбрали водителей и аварийные случаи на дорогах. Известно, что за концентрацию внимания и оценку ситуации отвечает левое полушарие человеческого мозга. Именно ..
2014-05-26 2638 0 Разное, интересное
1
Якутские ученые впервые исследуют мозг мамонта
Представитель Академии наук республики сообщил о том, что в феврале, якутскими учеными будет проведена трепанация черепа мамонтенка, ранее найденного в республике Юки. Таким образом, по всей видимости, они будут первыми во всем мире учеными, которые проведут исследование ..
2013-02-8 1255 0 Разное, интересное
0
Ученые: электростимуляция мозга улучшает мышление
Ученые из Оксфордского университета, проделав серию экспериментов выяснили, что стимулирование мозга электрическими импульсами способствуют повышению математических навыков.Ученые размещали электроды на голове испытуемых для стимулирования определенных участков головного мозга. Этот метод называется транскраниальная стимуляция случайным ..
2013-05-29 1514 0 Разное, интересное
0
Ученые отвергли взаимосвязь между большим мозгом и высоким IQ
Австрийские исследователи доказали, что большой мозг не гарантирует его обладателю высокий IQ. К такому выводу ученые пришли, обработав данные 148 исследований, в которых участвовали более восьми тысяч человек. Результаты метаанализа представлены в статье, опубликованной в журнале Neuroscience and Biobehavioral Reviews.В ..
2015-10-15 994 0 Разное, интересное
1
Суперкомпьютер воспроизвел одну секунду работы мозга
Группа немецких и японских ученых провели самый крупный эксперимент на сегодняшний день по симуляции мозговой активности. Ученые создали компьютерную симуляцию работы мозговой активности сети нейронов головного мозга.  По утверждению ученых 1% головного мозга составляет огромное ..
2013-08-7 1513 0 Разное, интересное
0
Ученые: работа мозга зависит от положения тела
Ученые из Школы физиологии Австралийского университета пришли к выводу, что на умственные способности человека влияет положение тела.Как оказалось, самые умные и взвешенные решения человек принимают тогда, когда лежит.В ходе исследования, участниками которого стали 20 добровольцев, было ..
2012-11-1 1671 0 Разное, интересное
0
В США решили оживить мертвый мозг человека
Американская биотехнологическая компания Bioquark планирует доказать, что смерть мозга не является необратимой, и разработать технологии «оживления» главного органа человеческого организма. Об этом сообщает The Daily Mail.Перспективы этого замысла очертил руководитель компании Айра Пастор (Ira Pastor). ..
2016-04-23 986 0 Разное, интересное
0
Виртуальный мозг мечтает как человек
Группа международных исследователей из медицинской школы имени Вашингтона при университете в Сент-Луисе, создали виртуальную модель мозга, которая может мечтать, как это делают люди, сообщает RedOrbit.com. Компьютерная модель основывается на динамике клеток мозга и соединений между этими клетками. ..
2013-07-15 1163 0 Разное, интересное
0
Физика объяснила уникальность человеческого разума
Китайские ученые выяснили, что длина волны биофотонов (сверхслабого света, который излучают клетки) животных короче, чем у человека. Вероятно, именно это свойство, связанное с передачей и обработкой нейронных сигналов, и объясняет высокие интеллектуальные способности Homo sapiens. Об открытии сообщается ..
2016-07-20 909 0 Разное, интересное
0
Ученые впервые определили воздействие любви на мозг
Коллектив китайских и американских ученых представил первое исследование того, как любовь меняет мозг человека. Свое исследование они опубликовали в журнале Frontiers in Human Neuroscience, а коротко о нем сообщает The Telegraph. Создавая «любовную карту» мозга, нейрофизиологи воспользовались методом магнитно-резонансной томографии. ..
2015-03-17 1487 0 Разное, интересное
0
Деление мозга на «логическое» и «эмоциональное» полушария оказалось мифом
Американский ученый оспорил распространенное представление о жесткой оппозиции двух полушарий головного мозга человека — правого и левого. Об этом сообщает The Independent.Широко распространенное представление о работе мозга заключается в том, что левое полушарие отвечает за логику, а правое — за эмоции и творчество. ..
2016-02-29 982 0 Разное, интересное
0