Myszy biegające w miejscu pomagają nam poznać obwody neuronowe odpowiedzialne za reakcje na zagrożenie
Do naszych mózgów docierają niezliczone ilości informacji, które wymagają przetworzenia, podejmowania decyzji i działań w bardzo krótkim czasie. Skorelowanie aktywności neuronów z tymi następującymi błyskawicznie po sobie sekwencjami zdarzeń najlepiej przeprowadza się na drodze eksperymentu, który łączy w sobie rejestrację lub pomiar z działaniami podejmowanymi przez zaalarmowane zwierzęta wykonujące kontrolowane zadania behawioralne. Takie podejście sprawia jednak, że to złożone zadanie staje się jeszcze bardziej skomplikowane. Finansowanie uzyskane w ramach indywidualnego stypendium z działania „Maria Skłodowska-Curie” umożliwiło Yaarze Lefler z Sainsbury Wellcome Centre for Neural Circuits and Behaviour, UCL(odnośnik otworzy się w nowym oknie) podjęcie takich badań. W ramach projektu defence_SC Lefler opracowała i wdrożyła innowacyjny wirtualny paradygmat ucieczki umożliwiający prowadzenie pomiarów neuronowych in vivo.
Ucieczka ku schronieniu – bez ruszania się z miejsca
Za realizację sygnalizacji neuronowej odpowiadają w znacznym stopniu przemieszczające się jony(odnośnik otworzy się w nowym oknie), które wytwarzają prądy i napięcia. Złotym standardem rozpoznawania wzbudzeń neuronowych jest rejestracja elektrofizjologiczna(odnośnik otworzy się w nowym oknie), ale niewielkie urządzenia wykorzystywane do pomiaru zachodzących błyskawicznie fluktuacji elektrycznych w pojedynczych neuronach doznają poważnych zakłóceń, jeśli monitorowane zwierzę pozostaje w ruchu. Lefler i jej zespół opracowali wyjątkowe rozwiązanie pozwalające ominąć ten problem – wymusili na myszach przemieszczanie środowiska w celu dotarcia do schronienia. Jak wyjaśnia badaczka: „Aby uzyskać realistyczny paradygmat przy minimalnym ruchu głowy, zastosowaliśmy pływającą arenę(odnośnik otworzy się w nowym oknie), która składała się z lekkiej platformy oraz schronienia unoszącego się na dmuchanym stoliku. Unieruchomiliśmy głowy myszy, ale zwierzęta miały pełną swobodę poruszania łapkami i tym samym przesuwania platformy. Eksplorowały dowolnie dostępne na platformie środowisko, a gdy odczuwały taką potrzebę mogły skryć się w wyznaczonym do tego miejscu”.
Wirtualny „nawiedzony dom” pełen mysich horrorów
Śródmózgowie to obszar mózgu, który od dawna wiązany był z ważnymi zachowaniami defensywnymi. Jego różne podregiony są zaangażowane w sensoryczne przetwarzanie zagrożenia, ucieczkę czy zamieranie w bezruchu, do tej pory jednak nie było wiadomo, w jaki sposób zachodzi integracja tych sygnałów na bodziec zagrożenia ani też jakie substraty neuronowe występują w tych przeciwstawnych i wzajemnie się wykluczających reakcjach na zagrożenie – ucieczce i zamieraniu w bezruchu. Aby zbadać ten problem, zespół wystawił myszy na działanie „nadciągającego bodźca” – rozszerzającego się ciemnego obszaru naśladującego zbliżanie się drapieżnika (bodziec wzrokowy) – lub bodźca ultradźwiękowego naśladującego wrogie nawoływania szczurów (bodziec słuchowy). Sondy krzemowe o dużej gęstości(odnośnik otworzy się w nowym oknie) pozwoliły rejestrować zewnątrzkomórkowe potencjały czynnościowe(odnośnik otworzy się w nowym oknie) generowane jednocześnie przez setki neuronów, a rejestracja w konfiguracji whole-cell metodą patch-clamp(odnośnik otworzy się w nowym oknie) pozwoliła uchwycić zdarzenia synaptyczne(odnośnik otworzy się w nowym oknie) w pojedynczych neuronach.
Iść czy zostać?
Teraz, gdy uczeni mają już do dyspozycji te dane, będą mogli przystąpić do ich analizy i powoli rzucić nieco światła na obwody neuronowe, które służą realizacji reakcji na zagrożenie. Lefler wyjaśnia dalej: „Udało się nam odkryć neurony występujące w określonych obszarach śródmózgowia, które reagują na sygnały zagrożenia wywołujące bodźce słuchowe, wzrokowe lub oba ich rodzaje. Udało się nam także odkryć neurony, które aktywowały się wyłącznie podczas zachowań defensywnych, a nie podczas występowania bodźca zagrożenia, który nie wywoływał reakcji behawioralnej, co wskazuje, że są one czynnymi częściami mechanizmu zachowawczego”. Podejmowane obecnie starania koncentrują się na analizie zapisów elektrofizjologicznych w celu wyjaśnienia mechanizmów synaptycznych, które odpowiadają za wybór odpowiedniego zachowania – ucieczki lub zamarcia w bezruchu. Lefler dodaje: „Ten wyjątkowy układ badawczy dał nam niebywałą możliwość zbadania mechanizmów neuronowych odpowiedzialnych za podejmowanie decyzji na poziomie pojedynczych neuronów. Jego zastosowanie można z łatwością rozszerzyć na inne zachowania, inne obszary mózgu i inne gatunki”. Kierunek wskazują nam myszy obracające poziomym kołem fortuny – oczywiście nie ruszając się z miejsca.