Naukowcy szczegółowo badają sieci mózgowe psów

Badanie sieci mózgowych psów ujawnia, że podczas ewolucji mózgu ssaków, rola kory zakrętu obręczy, dwustronnej struktury zlokalizowanej głęboko w korze mózgowej, została częściowo przejęta przez boczne płaty czołowe, które kontrolują rozwiązywanie problemów, przełączanie zadań i zachowanie ukierunkowane na cel. Badanie opiera się na nowym atlasie mózgu psiego fMRI w stanie spoczynku, który może pomóc w analizie chorób charakteryzujących się dysfunkcyjną integracją i komunikacją między obszarami mózgu. Naukowcy zainteresowani tym, jak myślą psy, mogą nie tylko wywnioskować to z ich zachowania, ale także zbadać aktywność ich mózgu za pomocą fMRI (funkcjonalnego rezonansu magnetycznego), aby zidentyfikować i zobaczyć, które obszary mózgu są aktywne, gdy pies reaguje na bodźce zewnętrzne. Metoda ta identyfikuje mechanizmy mózgowe, które wpływają na uczenie się i pamięć psa, co skutkuje lepszymi metodami szkolenia psów, a także wiedzą na temat etapów ewolucji, które doprowadziły do rozwoju funkcji ludzkiego mózgu. Wydział Etologii Uniwersytetu Eötvös Loránd (ELTE) jest liderem w opracowywaniu metodologii pomiarów fMRI u psów od 2006 roku. Metodologia szkolenia psów domowych została opracowana przez Mártę Gácsi, która wniosła również znaczący wkład we wprowadzenie szkolenia psów asystujących na Węgrzech. Przyjęła wiele metod stamtąd, uzupełniając je o społecznie motywowane szkolenie oparte na rywalizujących zasadach szkolenia odkrytych w badaniach etologicznych. "W tym podejściu uczeń jest silnie zmotywowany do nauki zadania, obserwując pracę już wyszkolonego psa i pragnąc pochwały otrzymanej za to. W wyniku treningu fMRI wyszkolony pies jest w stanie (i chętnie!) leżeć nieruchomo w skanerze MRI przez osiem minut, w zamian za oczekiwane pieszczoty i smakołyki". W ostatnich latach badania fMRI psów polegały na odtwarzaniu zwierzętom dźwięków i badaniu, które obszary mózgu są aktywowane podczas przetwarzania dźwięków. Sygnały aktywności mózgu są zazwyczaj rzutowane na atlas anatomiczny w celu ustalenia, który obszar mózgu jest dotknięty. Problem polega jednak na tym, że czynności funkcjonalne są nieregularne i niekoniecznie podążają za anatomicznie zdefiniowanymi regularnymi granicami. Części mózgu są zazwyczaj zaangażowane w przetwarzanie określonych danych wejściowych razem, tj. działają synchronicznie, tworząc funkcjonalną sieć mózgu. "Postanowiliśmy stworzyć atlas psiego mózgu, który organizuje regiony anatomiczne w sieci funkcjonalne, ilustrując, które regiony należą do danego typu zadania i pokazując ich lokalizacje" - powiedziała Dora Szabo, pierwsza autorka badania opublikowanego w czasopiśmie Brain Structure and Function. Aby stworzyć funkcjonalny atlas mózgu, do badania włączono 33 wyszkolone psy rodzinne. Podczas rejestracji fMRI psy nie otrzymały żadnego zadania poza leżeniem nieruchomo w skanerze. Jest to tak zwany fMRI w stanie spoczynku lub w skrócie rs-fMRI, który bada aktywność mózgu bez angażowania się podmiotu w jakiekolwiek konkretne zadanie, bez koncentracji lub myślenia o czymkolwiek w szczególności, w "stanie spoczynku". Uzyskane w ten sposób dane mogą ujawnić, które obszary mózgu są ze sobą funkcjonalnie powiązane i które są najściślej połączone, umożliwiając naukowcom badanie sieci i połączeń mózgowych. Oryginalna metodologia została dodatkowo ulepszona poprzez zastosowanie teorii sieci z pomocą Milana Janosova, naukowca zajmującego się sieciami i danymi na Uniwersytecie Środkowoeuropejskim. Podczas gdy wcześniejsze badania mogły jedynie opisywać sieci oparte na modelach, niezależnie od granic anatomicznych, nowe atlasy MRI mózgu psów odzwierciedlające regiony anatomiczne w wymaganej rozdzielczości umożliwiły naukowcom badanie siły połączeń między członkami sieci lub między sieciami, a także porównywanie gatunków ze względu na dużą liczbę mierzonych psów. Według badania, sieci w bocznym płacie czołowym (czołowo-ciemieniowym), które kontrolują rozwiązywanie problemów, przełączanie zadań i zachowania ukierunkowane na cel, odgrywają mniejszą rolę u psów niż u ludzi. W ich miejsce główną rolę odgrywa kora zakrętu obręczy, dwustronna struktura zlokalizowana głęboko w korze mózgowej. Jest ona zaangażowana w szereg procesów życiowych, a także w przetwarzanie nagród i regulację emocji. Kora zakrętu obręczy u psów jest proporcjonalnie większa niż u ludzi. Naukowcy zmierzyli psy w różnym wieku, z których najstarszy miał 14 lat. Jak wspomniano wcześniej, psy muszą leżeć nieruchomo, aby uzyskać prawidłowe pomiary. Dane ujawniły, że starsze psy były nieco mniej zdolne do utrzymania początkowej pozycji. Różnica ta była jednak bardzo niewielka, ponieważ nawet w ich przypadku przemieszczenie głowy było mniejsze niż 0,4 mm. W tym aspekcie są one podobne do ludzi, ponieważ osoby starsze również mają większe trudności z utrzymaniem bezruchu przez dłuższy czas w porównaniu do osób młodszych". Eniko Kubinyi, starszy badacz zajmujący się starzeniem poznawczym u psów Badanie daje wgląd w ewolucję ludzkiego mózgu, sugerując, że podczas ewolucji mózgu ssaków rola kory zakrętu obręczy została częściowo przejęta przez regiony czołowo-ciemieniowe. Ponadto nowy atlas mózgu rs-fMRI może pomóc w badaniu stanów, w których integracja i komunikacja między obszarami mózgu są zaburzone, co skutkuje dysfunkcyjnym podziałem zadań. Starzenie się, lęk i zaburzenia psychiczne to tylko niektóre przykłady takich stanów.

Przełomowe obrazowanie 3D ujawnia sekrety rzęsek

Pierwotne rzęski są organellami czuciowymi obecnymi na powierzchni komórek; jednak ich fizyczna struktura nie została zdefiniowana z przyczyn technicznych. W nowym badaniu PNAS zbadano pierwotne rzęski w ludzkich komórkach wysp trzustkowych przy użyciu wieloskalowego skaningowego mikroskopu elektronowego w celu uzyskania trójwymiarowego (3D) obrazu ich architektury. Pierwotne rzęski ludzkich wysepek biorą udział w regulacji poziomu glukozy we krwi. Organelle te powstają z centrioli komórki, która tworzy ciało podstawowe rzęsek, i rozciągają się do przestrzeni pozakomórkowej. Gdy funkcja rzęsek jest zaburzona lub ich liczba jest zmniejszona, pojawia się choroba metaboliczna spowodowana zmienionym rozwojem trzustki. Pierwotne rzęski wysepek trzustkowych zostały po raz pierwszy zidentyfikowane na komórkach beta, przy czym każda komórka ma jedno rzęskę. Te rzęski składają się z wielu subdomen, przy czym każda rzęska ma ciało podstawowe i aksonem. Aksonem ma charakterystyczny dziewięciodwójny zewnętrzny pierścień mikrotubul, bez centralnej mikrotubuli u podstawy; jednak struktura ta może ulec zmianie po wyłonieniu się rzęsek z powierzchni komórki. Skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM) jest wykorzystywana do badania kształtu struktur powierzchniowych; jednak to podejście poświęca architekturę podbłonową podczas przygotowywania próbki. Niemniej jednak, zaawansowana mikroskopia i technologia analityczna mogą pomóc w zbadaniu struktury pierwotnych rzęsek na całej ich długości. W obecnym badaniu naukowcy połączyli SEM z ekstrakcją błony w celu określenia morfologii powierzchni pierwotnych rzęsek, wraz ze strukturą aksonemów pod błoną rzęskową. Niektóre rzęski, z których usunięto błony, zostały następnie zbadane w celu określenia liczby i wielkości mikrotubul, innych elementów strukturalnych powtarzających się w takich rzęskach oraz chiralności. Naukowcy postrzegali pierwotne rzęski jako wyraźne struktury powierzchniowe o długości od trzech do sześciu mikrometrów (μm). Nienaruszone rzęski zostały zobrazowane w celu określenia struktury aksonu na całej ich długości. Odpowiednio, zdemembranizowane rzęski zostały zobrazowane w celu zbadania całej struktury aksonalnej. Większość rzęsek była skierowana z dala od komórki i miała około sześciu μm długości. Średnia średnica podstawowa wynosiła 240 nanometrów (nm) u podstawy i 50 nm na końcu. Pomiary te potwierdzają wyniki wcześniejszych badań. Każda rzęska miała objętość około 0,15 μm3, czyli 5000 razy mniej niż odpowiadająca jej komórka. Co więcej, każda rzęska miała powierzchnię 3,05 μm2, czyli około 200 razy mniejszą niż błona plazmatyczna komórki. Każda rzęska powstaje z kieszonki rzęskowej błony plazmatycznej, która pełni wiele funkcji kotwiczenia i iliogenezy. Kieszonka rzęskowa różniła się między różnymi typami komórek w wysepce, co wskazuje na odmienną organizację błony u podstawy rzęsek w każdym typie komórek. Niektóre rzęski wykazywały kieszonkę rzęskową w kształcie dołka, podczas gdy inne miały bardzo głębokie kieszonki lub nie miały widocznych kieszonek. Przesuwając się w górę wzdłuż długości rzęski, zidentyfikowano naszyjnik rzęskowy, który składał się z pięciu do sześciu rzędów cząstek wokół podstawy prostopadle do kierunku mikrotubuli. Naszyjnik ma około 230 nm średnicy i 140 nm wysokości. Cząsteczki te mogą być kluczem do przejścia od tripletów do dubletów, umożliwiając w ten sposób dyfuzję błonową. Podstawa każdego rzęski wydaje się być połączona cienkimi nitkami z mikrokosmkami i powierzchnią cytoszkieletu. Nici te przypominają włókna aktyny i różnią się od wiązań Y znajdujących się w strefie przejściowej bezpośrednio za podstawą. Te asymetryczne nici przyczepiają się do struktur docelowych i potencjalnie do powierzchni komórki, zapewniając w ten sposób fundament dla podstawy rzęsek. Podwójne mikrotubule zmieniają się w pojedyncze w około jednej trzeciej do połowy długości rzęski. Przejściu z dubletów do singletów towarzyszy konfiguracja spiralna, która jest zazwyczaj lewoskrętna. Łuk rotacyjny ma długość około 1000 nm i rozstaw 500-1000 nm. Takie zwijanie może zwiększać stabilność wiązki mikrotubul i ułatwiać ruchliwość rzęsek, pochłaniając w ten sposób wstrząsy i modulując funkcje rozciągania i długości. Potrzebne są jednak dalsze badania, aby potwierdzić te odkrycia, które mogą pomóc wydłużyć aksonem bez konieczności syntezy większej liczby mikrotubul. Wiązka mikrotubul wydaje się być utrzymywana razem przez podbłonowy pierścień rzęskowy w niektórych rzęskach komórek beta. Końcówka rzęski wykazywała odrębną organizację, z mniejszą liczbą mikrotubul obecnych w kierunku dystalnego końca. Cilium kończy się gęstą czapeczką. Końcówka rzęsek ma kształt od spiczastego do bulwiastego, co może wskazywać na różne role rzęsek w różnych komórkach wysepek. W rzadkich przypadkach pojedyncza komórka miała więcej niż jedną rzęskę; jednak cel złożonych rzęsek pozostaje nieznany. Organelle te mogą powstawać w wyniku zaplanowanej zróżnicowanej ekspresji genów, utrzymania pożądanej gęstości rzęsek lub w odpowiedzi na czynniki hormonalne.