Изображение мысли: мозг в картинках

Как может выглядеть человеческая мысль или как представляли себе мозг ученые в историческом развитии науки неврологии?

 Новая книга, Портреты Мозга Карла Скуновера, показывает, как  ученые визуализировали изображение мозга на протяжении веков.

Обонятельная луковица

Гольджи (Golgi) Камилло (7.7.1844, Кортено, — 21.1.1926, Павия), итальянский гистолог, профессор университета в Павии (с 1875). Разработал хромосеребряный метод приготовления микроскопических препаратов нервной ткани (1873), что дало возможность представить силуэтные изображения нейронов со всеми их отростками, изучить и классифицировать всё разнообразие форм нейронов коры больших полушарий мозга и, таким образом, подойти к решению проблемы взаимоотношений структуры и функций. В современной нейрогистологии различают клетки Гольджи  1-го типа с длинным нейритом, выходящим за пределы нервного центра, в котором клетка находится, и клетки Гольджи 2-го типа — с коротким нейритом, разветвляющимся и заканчивающимся в том же участке серого вещества, где располагается тело клетки. Гольджи. описал особый внутриклеточный органоид — Гольджи комплекс. Нобелевская премия . Техника проявления нейронной структуры стала широко известна как "метод Гольджи" и знаменует собой начало современной неврологии.

Окрашенные  пятна антител

На этом изображении, лес из аксонов растет в чашки Петри и  проявляется в желтом цвете на основе  использования методов  иммуногистохимии.

Иммуногистохимия – метод диагностики, в основе которого лежит визуализация и оценка с помощью микроскопа результатов реакции антиген-антитело в срезах биопсированной (при жизненный забор клеток) ткани. В качестве антигена выступают компоненты клеточных структур или межклеточного вещества ткани. Антитела получают из сыворотки крови животных, иммунизированных интересующим антигеном, или от культуры ткани гибридомы, которую создают слиянием “бессмертных” клеток плазмоцитарной опухоли (миеломы) и активированных интересующим антигеном В-лимфоцитов. Уникальность последнего метода состоит в том, что все клетки гибридомы являются потомками одной единственной клетки и поэтому синтезируют абсолютно идентичные молекулы антител. Способ окрашивания клеточных и тканевых компонентов с помощью специфических антител для микроскопического исследования был предложен A. Coons с соавт. в 1941 году. Антитела были мечены флюоресцирующей краской, что позволяло обнаружить комплекс тканевого антигена и диагностического антитела в гистологических срезах с помощью люминисцентного микроскопа. Принципиальным отличием иммуногистохимии от других методов иммунологической диагностики, использующих реакцию антиген-антитело, является структурная специфичность исследования. Это означает, что в реакции оценивается не только наличие сигнала (есть окрашивание или нет) и его сила (интенсивность окрашивания), но и пространственное распределение сигнала в гистологическом препарате (окрашивание мембран клеток, цитоплазмы, ядра и других структурных элементов).

(Изображение: Майкл Хендрикс и Суреш Jesuthasan, 2008)

Гиппокамп

Сечение гиппокампа мыши показаное здес,ь обнаруживает свою сложную внутреннюю структуру. Эта часть мозга получила свое название от его формы - гиппокамп в переводе с латинского морской конек. На этом изображении, клеточные тела нейронов гиппокампа выглядят как маленькие цветные круги. В верхней части изображение показывает неокортекс.

(Изображение: Tamily Вайсман, Джефф Лихтман и Джошуа Санс, 2005)

Неокортекс (новая кора). Это собственно то, что мы обычно и называем корой мозговых полушарий. Наиболее развита она вглубь мозга в теменных и лобных отделах. Его масса составляет восемьдесят процентов всей массы мозгового вещества. Это центр высшей умственной деятельности – средоточие Истинного Интеллекта.

Этот крупный план неокортекса мыши, ответственный за высшее когнитивные функции, такие, как сознание и пространственное мышление. Показывает горизонтально-слоистую организацию клеточных тел нейронов на переднем плане. Светлые и темные полосы  показывают различные слои ячейки. Сенсорная информация,  которая поступает в кору головного мозга, попадает сначала в часть, окрашенную  темной полосой в верхней части изображения, прежде чем она  передается далее в другие регионы коры из нейронов.

(Изображение: Tamily Вайсман, Джефф Лихтман и Джошуа Санс, 2007)

Ген Jam-B

Гольджи метод  позволяет нейрологам составить   карту  взаимодействия нейронов, но только в мертвых тканях. Визуализация живых нейронов и их соединений в реальном времени не удавалось получить,  пока к исследованиям не подключились биологи в  начале 1990-х.

Нобелевскую премию по химии  в 2008г присудили за переворот в молекулярной биологии. В последние годы границы между многими науками становятся все более и более размытыми. Зачастую уже невозможно понять, где кончается, например, биология и начинается физика или химия. Такая тенденция нашла свое отражение и в том, как происходит выбор нобелевских лауреатов. В 2008 году награду по химии присудили исследователям, которых скорее можно назвать молекулярными биологами.

Нобелевскую премию поделили между собой три американца, которые занимались изучением одного белка. Он известен в научном мире под названием GFP, от английского green fluorescence protein, или зеленый флуоресцентный белок. Чем же так замечателен этот GFP, и почему его выделяют из сотен тысяч других белков?

Что первое приходит вам в голову, когда вы думаете о море? Волны, соль, водоросли, рыбы и, конечно, медузы. Этих полупрозрачных существ, которые более чем на 90 процентов состоят из воды, можно встретить в морях практически на всех широтах. Разноцветные зонтики парят в воде, а некоторые даже светятся. Именно такие светящиеся медузы вида Aequorea victoria в 1960-е годы привлекли внимание группы биологов под руководством японца Осамы Симомуры (Osamu Shimomura).

Исследователи выделили из тела медузы несколько белков, одним из которых был GFP. Сам по себе этот белок не светится, однако если направить на него излучение определенной длины волны, он начинает мерцать зеленым цветом. Это явление получило название флуоресценции.

Свет представляет собой поток элементарных частиц – квантов света, или фотонов – обладающих определенной энергией. Если говорить о видимом свете, то количество энергии, переносимое фотонами, можно определить по цвету излучения. Например, фиолетовый свет состоит из высокоэнергетичных фотонов, а красный – из фотонов с низкой энергией. Немного усложним ситуацию и вспомним, что для фотонов характерен корпускулярно-волновой дуализм. То есть, фотон демонстрирует как свойства частицы, так и свойства волны. Короткая длина волны соответствует фотонам с высокой энергией, а длинная – с низкой.

Вернемся к флуоресценции. Теперь мы можем на молекулярном уровне описать, как возникает это явление. Итак, на флуоресцентную молекулу попадает квант света. Если он несет "нужное" количество энергии, то молекула переходит в так называемое возбужденное состояние. Это необычное состояние, и молекула может пребывать в нем очень недолго. Чтобы вернуться к "нормальной жизни", молекуле необходимо избавиться от излишка энергии, которую ей передал фотон. Существует несколько способов сделать это, один из которых – излучение кванта света. Испускаемый молекулой квант всегда несет меньше энергии, чем поглощенный, так как разница "уходит" на перевод молекулы в возбужденное состояние.

Если использовать терминологию длин волн, то флуоресцентная молекула всегда испускает более длинноволновый свет, чем поглощает.

Раствор GFP при обычном освещении тускло флуоресцирует, но если посветить на него светом с длиной волны 488 нанометров (синий свет), то молекула белка ярко "вспыхивает" зеленым (длина волны 509 нанометров). И если с помощью GFP пометить, например, какой-нибудь белок, то при облучении клетки синим светом этот белок будет хорошо заметен на фоне остальных структур, которые останутся тусклыми.

Возможности, которые выделенный Симомурой и коллегами GFP открывает для биологии, первым осознал американец Дуглас Прашер (Douglas Prasher), который в 1992 году клонировал зеленый флуоресцентный белок и определил нуклеотидную последовательность кодирующего его гена.

Через два года была получена кристаллическая структура белка. То есть, ученые увидели, как организованы в пространстве все атомы GFP. Особенно исследователей интересовал хромофор – та часть молекулы GFP, которая "отвечает" за флуоресценцию. "Ключевое место" GFP выглядит как цилиндр или бочка, стенки которой образованы цепочками аминокислот. Такая структура получила название бета-баррель (от английского barrel - бочка).

Информация о строении хромофора GFP позволила ученым понять все детали процесса флуоресценции. А это, в свою очередь, дало возможность направленно изменять структуру белка для того, чтобы сделать его более стабильным, а флуоресценцию – более яркой. Кроме того, ученые научились получать молекулы, флуоресцирующие другим цветом.

Получение самого GFP и его производных позволило создать множество молекулярно-биологических методов, с помощью которых можно одновременно следить за несколькими процессами, происходящими в живых клетках

Колючий нейрон

Это изображение нейрона было получено с помощью сканирующего электронного микроскопа: пучок электронов при сканировании по поверхности образца, отражаясь от поверхности, при детектировании отраженного потока позволяет выявить внешние формы нейронной ткани.

На фотографии представлен Дендритный шипик — мембранный вырост на поверхности дендрита, способный образовать синаптическое соединение. Шипики обычно имеют тонкую дендритную шейку, оканчивающуюся шарообразной дендритной головкой. Дендритные шипики обнаруживаются на дендритах большинства основных типов нейронов мозга.  

(Изображение: Томас Deerinck и Марк Ellisman, 2009)

по материалам Newscientist

Damkin

Комментарий: Пишу не для маститых ученых, а студентов и выпускников Вузов. Общепринятой точкой зрения на сегодняшний день, является теоретические предпосылки о передаче информации в нейронах с помощью электрических импульсов, наподобие того, как это происходит в процессоре компьютера. Но, это только побочное явление, сопровождающее процесс взаимодействия элементарных частиц при химических реакциях. Способ передачи информации в нейронах основан на иных принципах, чем мы можем себе представить в настоящее время.