Мозг содержит более миллиарда нейронов, каждый из которых имеет сложную сеть связей по всему мозгу. Считается, что паттерны нервной деятельности порождают специфические аспекты поведения и восприятия, но как?
Чтобы расшифровать паттерны нейронной активности, нейробиологи должны визуализировать сотни нейронов одновременно (а не только отдельный нейрон) у свободно двигающихся животных. С точки зрения технологии, это нелегко.
Современные методы, такие как электрофизиология in vivo, могут регистрировать нейронную активность с точностью до временного пика, но не способны локализовать активность больших популяций отдельных клеток и идентифицировать типы клеток.
Существует ли метод визуализации нейронной активности in vivo?
Визуализация кальция in vivo
Кальциевая визуализация позволяет нейробиологам визуализировать активность в сотнях отдельных нейронах одновременно с помощью флуоресцентных датчиков активности. Изменения флуоресценции указывают на колебания внутриклеточного кальция, который является косвенным показателем нервной активности (Grienberger & Konnerth 2012).
Разработка генетически кодируемых кальциевых индикаторов (GECIs) позволила нейробиологам изучать специфические типы клеток (например, возбуждающие или тормозные нейроны).
GCaMP, зеленый флуоресцентный GECI, обычно используется в экспериментах по визуализации кальция, так как он оптимизировался в течении многих поколений (в настоящее время GCaMP7) для улучшения скорости, отношения сигнал-шум, экспрессии и изменения флуоресценции (Dana et al. 2019). Набор инструментов для визуализации кальция постоянно растет с развитием новых GECIs, таких как RCaMP и XCaMP (Akerboom et al. 2013; Inoue et al. 2019).
GECIs, такие как GCaMP, выражены в определенных клетках (зеленым цветом). Изменения активности обнаруживаются только в клетках, экспрессирующих GECI
Зачем использовать визуализацию кальция in vivo
В последнее время наблюдается резкий рост использования кальциевой визуализации для изучения нейронных цепей in vivo. Эта популяризация привела к оптимизации биологических методов и улучшению технологии, что позволило большему числу нейробиологов принять эту методику. Помимо популярности, есть и другие причины, по которым нейробиологи склонные к применению кальциевой визуализации.
Кальциевая визуализация предоставляет нейробиологам средства для изучения специфических популяций клеток внутри или между областями мозга у свободно движущихся животных. При этом нейробиологи могут исследовать, как нейронная активность может быть связана с аспектами поведения и восприятия, эффективно связывая генетически идентифицированные клетки с их функцией.
Поведение и познание не могут быть охарактеризованы изолированным паттерном импульсов нейронов, потому что они учатся или адаптируются с течением времени. Кальциевая визуализация может быть использована для отслеживания активности нейронов с течением времени и для изучения того, как сети разрастаются или изменяются во время обучения. Это особенно важно для продолжительного изучения моделей заболеваний головного мозга у животных. Нейробиологи могут начать понимать развитие связанных с деятельностью изменений в этих моделях и оценивать долгосрочные эффекты фармакологических вмешательств.
Однако, в любой новой технике есть свои подводные камни. Как мы знаем уже много лет, нейронная активность связана с потенциалами действия — изменениями напряжения на клеточной мембране. Кальциевая визуализация измеряет изменения внутриклеточной концентрации кальция, обеспечивая косвенный показатель нервной активности. По сравнению с изменениями напряжения, колебания уровня кальция происходят гораздо медленнее и могут отражать суммирование сигналов, а не отдельные всплески (Wei et al. 2019). То есть временное разрешение кальциевой визуализации может быть ограничено для нейронов с быстрыми всплесками, таких как интернейроны (промежуточные нейроны).
Постепенное развитие генетически закодированных индикаторов напряжения (GEVIs), предназначенных для обнаружения изменений напряжения, как ожидается, позволит преодолеть эти ограничения (Knopfel & Song 2019). Как и в случае любой новой технологии, широкое применение GEVIs потребует времени, требующего валидации и оптимизации для использования in vivo. Несмотря на это ограничение кальциевой визуализации, этот метод значительно продвинул наше понимание того, как нейронная активность связана с поведением и восприятием.
