Нервная система зверей генами жестко не задана

Сотрудники Гарварда под руководством профессора молекулярной и клеточной биологии Джеффа Лихтмана (Jeff W. Lichtman) впервые создали модель, полно и точно отображающую одиночное и взаимное расположение аксонов в мышиной мышце. Мышцу они выбрали очень простую – межщитковую. Это часть так называемого напрягателя щитка -- плоской мышцы, которая прикрепляется к краю височной ямки. Нужна она для того, чтобы двигать ушами.

Трудности пересчета

У мыши межщитковая мышца очень маленькая – не превышает несколько миллиметров в длину. Да и количество аксонов в ней сравнительно небольшое – около 15. Так что задача ученых изначально выглядела довольно просто.

 На деле же все оказалось намного сложнее. Для своей работы исследователи использовали мышей, клетки которых содержали флюоресцентные метки. Мышцу и строение ее локальной нервной сети они изучали с помощью конфокального микроскопа. Ученым пришлось сделать тысячи фотографий, чтобы восстановить путь каждого индивидуального аксона: как он проникает в мышцу, многократно разветвляется и как формирует синапсы с одиночными волокнами мышцы. Методика съемки полуавтоматическая, то есть требует постоянного присутствия научного сотрудника. Даже на самой высокой скорости запись пути участка аксона в полмиллиметра занимала два часа. Так что на один средний, семимиллиметровый аксон у ученых уходило около 14 часов. А аксон был не один, да и мышь исследовалась не одна. К тому же у каждой по два уха.  «Это все равно что взять гигантскую тарелку спагетти и, не распутывая отдельные макаронины, попытаться вычислить, какая где начинается и куда выходит, -- комментирует работу Цзю Лу (Ju Lu), сотрудник лаборатории Лихтмана, -- за исключением того, что в нашем случае отдельная спагеттина может разветвляться до 37 раз».

Млекопитающие примитивнее червей

Однако работа была проделана не зря. Во-первых, это первая полная карта аксонной сети в мышце млекопитающего. Во-вторых, это вообще вторая такая карта: предыдущую делали для нематоды сaenorhabditis elegans, одного из излюбленных объектов исследования биологов. А в-третьих, результаты оказались совершенно неожиданными и заставили ученых изменить некоторые давние и широко распространенные убеждения.

Оказалось, что аксоны в мышцах расположены всегда по-разному. Причем их расположение отличается не только у разных особей, но даже у одного зверька для мышц правого и левого уха. У изученных ранее червей распределение было симметричным, строгим и всегда одинаковым. По мнению ученых, это необычное наблюдение можно объяснить тем, что информация, заложенная в генах млекопитающих, кодирует не точную схему распределения аксонов, а лишь «общие рекомендации» по их расположению.

[v4] «Такое ощущение, что нервная система млекопитающего это что-то вроде игры в американский футбол, -- говорит профессор Лихтман. -- Даже когда правила абсолютно одинаковые, каждое продвижение мяча уникально». С одной стороны, нервная система млекопитающего оказалась гораздо примитивнее и развивающейся свободнее, чем строго регламентированная система насекомых и червей. С другой стороны, это может быть выгодно. Обнаруженная особенность частично объясняет, почему люди и другие млекопитающие могут быстро адаптировать свое поведение к меняющейся окружающей среде. «Мы можем быть не так совершенны в нашей генетической эволюции, но наша гибкая нервная сеть дает нам возможность эволюционировать в поведении с очень высокой скоростью», -- считает Лихтман. К тому же, по его словам, свобода развития и разность в формировании нервной системы могут объяснить, почему кто-то силен в танцах или решении кроссвордов, а кто-то в математических вычислениях или боулинге. Хотя нервная система и мозг тех и других в конечном счете строятся из одинаковых «кирпичиков».

[v5] Аксоны длиннее, чем положено

Другое любопытное открытие, сделанное учеными, – длина аксонов. Согласно принципу Кахаля, который более 100 лет изучается медиками и вписан во все учебники, общая длина волокна в разветвленном аксоне должна быть минимальной. Минимизация нужна для экономии энергии и материальных ресурсов. Но у исследованных мышей это оказалось не так. Почти каждый аксон был неоптимальной длины: он проходил не теми путями или имел нелогичные ответвления. В среднем длина аксона превышала геометрически оптимальную на 25%. Однако ученые считают, что этому факту в будущем непременно должно найтись объяснение.

Несмотря на громадный объем проделанной работы и крайне любопытные и неожиданные наблюдения, ученые считают, что общие выводы для всей нервной системы любого млекопитающего делать рано. Для начала нужно получить информацию о других мышцах и других животных. Возможно, рано или поздно дело дойдет и до мозга.