Японцы создали метки для автоматической идентификации нейронов нематод

Ученые из Японии нашли способ облегчить разметку нейронов нематод . Для этого исследователи создали новую линию червей, нервные клетки которых экспрессируют набор маркеров, и алгоритм, который позволяет идентифицировать нейроны полуавтоматически. С помощью такого подхода точно удалось определить не все нейроны, для улучшения метода нужно расширять выборку и искать дополнительные маркеры. Статья опубликована в журнале .

У нематод всего 302 нейрона. Морфология всех этих клеток, их пути дифференциации и связи хорошо изучены. Поэтому является уникальной моделью, на которой можно изучать процессы как на уровне отдельных клеток, так и целых нейронных сетей. Современные методы позволяют визуализировать активность всей нервной системы этого круглого червя, в том числе если он свободно движется, с разрешением до одного нейрона. Но, к сожалению, определять, за какой именно из 302 нервных клеток мы наблюдаем, приходится вручную.

Для того, чтобы идентифицировать отдельные нейроны, используют в первую очередь расположение клеток. Но постоянно оно только на личиночных стадиях, а у взрослых червей вариабельно. Кроме позиции клетки также определяют по специфическим маркерам (например, флюоресцентным меткам) и морфологии. Однако все эти методы удобны, только если рассматривать ограниченное число нейронов. На уровне целого мозга определять каждую отдельную клетку трудно: необходимо слишком много маркеров, а морфологические особенности не всегда возможно рассмотреть.

Исследователи предпринимали несколько попыток автоматизировать определение нейронов . Фухуй Лун (Fuhui Long) создал электронный 3D-атлас личинок нематод L1, в котором отмечены позиции 357 из 558 клеток червя и их варианты. Однако в работе не описаны нейроны головного конца нематод из-за того, что они расположены слишком плотно. В другом атласе с помощью флюоресцентных меток, положения и морфологии клеток размечены 154 из 959 клеток взрослых особей, но туда вообще не вошли нейроны. До сих пор получить информацию о позиции нейронов зрелых можно было только из реконструкции Джона Уайта (John White) 1986 года, но в этой работе не указаны варианты расположения клеток и есть некоторые неточности, связанные с методологией приготовления образцов для электронной микроскопии.

Ю Тоёсима (Yu Toyoshima) из Токийского университета и его коллеги создали новый набор идентификаторов для нейронов . Для этого они пометили специфичные для разных клеток промоторы флюоресцентной меткой. Промотор — участок ДНК, который служит стартом для начала транскрипции. В разных клетках работают свои промоторы, и можно сделать так, что при экспрессии конкретного промотора будет выделяться флюоресцентный белок. Изменение свечения меток, которое отображало паттерн работы промотора, и использовали исследователи для идентификации нейронов.

Исследователи наблюдали за экспрессией 35 различных промоторов в нервных клетках 311 нематод. Затем ученые сравнили расположение одних и тех же клеток у разных особей и определили, какие клетки могут сильно смещаться друг относительно друга и какие пары относительно постоянны в пространстве. 

Наконец, авторы выбрали три промотора, которые были активны в наибольшем числе клеток, и связали их с флюоресцентными метками двух цветов (третий световой канал был занят белком, который находится в ядрах нейронов) в отдельной линии . Такая комбинация помогает определять оптимальное число нервных клеток (186 из 196 нейронов головы) в одной нематоде.

Ученые также создали автоматизированный алгоритм определения нейронов новой линии . Он сравнивает экспрессию флуоресцентных маркеров и положение каждой нервной клетки нематоды с набором генерализованных атласов, которые были созданы на основе данных этого исследования. Метод также позволяет корректировать определение нейронов вручную.

Авторам удалось идентифицировать по паттерну экспрессии специфичных промоторов большинство нейронов головы . Положение клеток было нестабильным у разных особей, поэтому определение нейронов по этому параметру не представляется возможным. Однако ученые обнаружили пары клеток, которые достаточно постоянны в пространстве друг относительно друга. Кроме того, исследователи обнаружили, что на положение части клеток влияет позиция глотки, которая может смещаться в процессе развития червя.

Алгоритм успешно справлялся с определением нейронов в новой линии нематод — в среднем он узнавал 78 процентов нервных клеток головы. Однако некоторые клетки не удалось идентифицировать вообще, и они не были представлены ни в одном атласе, а часть была обнаружена лишь в нескольких животных. Такие нейроны алгоритм определял с большой вероятностью ошибки. Для совершенствования метода необходимо проанализировать большее число особей, найти новые специфичные промоторы и пополнить базу данных маркеров нервных клеток .

Полный коннектом создали только в 2019 году. Однако нейроны этих червей и их связи исследованы давно, и на уровне отдельных клеток изучают различные нервные процессы нематод, например, хемотаксис. У этих удивительных животныхдаже нашли клетки, которые чувствительны к магнитному полю Земли.