Пристальный взгляд на быстро развивающийся эмбрион рыбок данио помогает нейробиологам лучше понять потенциальные причины заболеваний головного мозга, включая аутизм и шизофрению.
Исследователи из Университета штата Огайо были заинтересованы в понимании изменений в неврологическом развитии, которые возникают из-за генетического дефекта, связанного с неврологическим заболеванием, в частности, потери гена под названием Протокадгерин-19 или PCDH19. Связь между мутацией и заболеваниями головного мозга хорошо известна, но механизм того, почему одно может привести к другому, оставалось загадкой.
Новое исследование, опубликованное в этом месяце в журнале eNeuro, указывает на "кластеризация" клеточных взаимодействий в головном мозге, которые могут нарушить нормальное развитие и здоровье мозга.
"Ученые открыли сотни генов, которые вызывают шизофрению, аутизм и другие расстройства мозга, но никто не знает, что именно идет не так в результате этих генетических мутаций," сказал ведущий исследователь Джеймс Джонтес, доцент нейробиологии в штате Огайо и член неврологического института университета.
"Наша цель – понять клеточную роль этих генов и то, как дефекты могут приводить к изменениям в развитии мозга."
Данио, или данио рерио, – это небольшие тропические пресноводные рыбы, которые привлекают ученых по нескольким причинам. Их эмбрионы прозрачны, они развиваются с высокой скоростью, и они разделяют значительную часть ДНК с людьми, что позволяет провести целесообразное и информативное исследование изменений в развитии, которые в конечном итоге могут иметь значение в попытках предотвратить заболевание человека.
Йонтес и его соавтор, аспирантка Сара Лайт, хотели увидеть, что произошло с неврологической точки зрения, когда они ввели мутацию PCDH19 в рыбок данио.
Используя мощный микроскоп, который позволил исследователям наблюдать за изменениями на клеточном уровне с течением времени – инструмент, который Йонтес сделал сам, – исследователи увидели четкие различия между эмбриональным развитием в норме "дикий тип" рыбок данио и эмбриональных рыбок данио, у которых был устранен ген PCDH19.
"Это первое исследование с использованием функциональной визуализации на уровне отдельной клетки для изучения эффектов мутации, которая, как известно, вызывает неврологические заболевания человека в живом организме, и мы увидели очевидные различия в архитектуре мозга животных с мутацией," Йонтес сказал.
"Этот тип работы может помочь нам более подробно понять взаимосвязь между генами и заболеваниями, включая аутизм и эпилепсию. Мы не совсем понимаем, что эти мутации делают со структурой и развитием мозга у людей, и если мы сможем выяснить, что они делают у рыб, это даст нам долгий путь к некоторым ответам."
Нейроны образуют в мозгу сети, которые необходимы для развития, мышления, функций, поведения и эмоций человека. У измененных рыбок данио исследователи смогли очень подробно наблюдать активность нейронов.
И с помощью продвинутого математического анализа, предназначенного для поиска взаимосвязей между нейронами и паттернами их активности, они увидели, что неврологические сети у рыбок данио с мутацией были более связаны или сгруппированы, чем в мозге обычных рыбок данио.
Данные были собраны между тремя и шестью днями после оплодотворения, периода быстрого роста и созревания у рыбок данио. К шестому дню после оплодотворения личинки рыбок данио уже демонстрируют такое поведение, как охота за едой и плавание.
"Мы видели множество взаимосвязей между нейронами у мутантных рыбок данио. Мы не знаем точно, что это означает, но это может означать, что между ячейками возникают несоответствующие соединения, которые обычно не взаимодействуют. Может быть, это становится проблемой, когда слишком много клеток включается в сеть нейронов."
Йонтес сказал, что нейробиологи заинтригованы тем фактом, что любое количество генетических мутаций было связано с данным заболеванием, например аутизмом.
По его словам, подобная работа может помочь объяснить, как каждая из этих мутаций приводит к заболеванию человека, и это может стать важным шагом на пути к лучшему лечению.