Ученые используют МРТ для визуализации процесса обучаемости в мозге
Новый подход к 3D-визуализации, который фиксирует метилирование ДНК — ключевое эпигенетическое (наследуемое) изменение, связанное с обучением в мозге, разработала многопрофильная группа ученых из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне, 28 февраля сообщает пресс-служба университета.
Пока эксперимент проведен только на свиньях, но ученые уверяют, что их методика будет легко перенесена на исследование мозга людей, поскольку новый метод основан на стандартной технологии МРТ и биологических маркерах, уже используемых в медицине.
По словам исследователей, новый подход, называнный ими эпигенетической МРТ или eMRI, открывает новые возможности для изучения того, как метилирование ДНК формирует мозг, стимулируя его раст, обучение и реакцию на стресс. Разработанный ими метод также может быть полезен при изучении нейродегенеративных процессов в мозге, возникающих, например, при болезни Альцгеймера.
Один из руководителей исследования, доктор Кинг Ли, профессор медицинской школы Иллинойского университета, пояснил: «Наша ДНК одинакова от клетки к клетке и не меняется. Но крошечные молекулы, такие как метильные группы, прикреплены к остову ДНК, чтобы регулировать, какие гены активно транскрибируются в РНК и транслируются в белки. Метилирование ДНК — очень важная часть контроля функций генов».
Метилирование ДНК является одним из нескольких эпигенетических изменений, которые происходят в мозге, когда животное, в том числе и человек, реагирует на окружающую среду. В мозге есть две системы управления, работающие в разных временных масштабах. Нейроны и другие клетки мозга реагируют на сигналы окружающей среды в течение нескольких секунд или миллисекунд, в то время как изменения в экспрессии генов занимают большее время.
Ученые сосредоточили свое внимание на этой второй системе, которая опирается экспрессию генов и может длиться от нескольких минут до нескольких часов, дней и даже дольше. Для получения прямого изображения эпигенетических изменений у живых людей они решили использовать возможности МРТ.
Команда полагалась на ключевое открытие: доктор Кинг Ли понял, что незаменимая аминокислота (то есть не вырабатывающаяся в организме человека), метионин, может нести атомный маркер — углерод-13 — в мозг, где метионин может отдавать метильную группу, помеченную углеродом-13 в процессе метилирования ДНК, что приведет к тому, что ДНК будет помечено редким изотопом углерода.
Ученые решили провести эсперимент по проверке идеи, что скармливание метионина, меченного углеродом-13, испытуемым позволит проникнуть этому маркеру в мозг и пометить области, подвергающиеся метилированию. Сначала его провели на грызунах, а потом переключились на свиней, чей мозг больше похож на человеческий.
Поросят кормили диетой, включающей метионин, меченный углеродом-13, и исследователи обнаружили, что МРТ может визуализировать возрастающий сигнал от метильных групп, меченных углеродом-13, в головном мозге. Дальнейшие анализы позволили им отличить метильные группы ДНК от других метилированных молекул.
При этом было установлено, что у поросят через несколько недель после рождения было больше нового метилирования ДНК в мозге, чем при рождении, причем увеличение было намного большим, чем это ожидалось, исходя только из изменений в размере мозга.
«Этот вывод очень обнадеживает, потому что он отражает то, что мы ожидали увидеть, что этот сигнал будет реагировать на окружающую среду, — сказал Ли. — Из исследований на животных известно, что области мозга, которые больше всего участвуют в обучении и памяти, претерпевают больше эпигенетических изменений. Такие региональные различия были нами выявлены в метилировании ДНК в мозге свиньи».
«Теперь мы рассчитываем применить эту технику на людях. Попасть этой меткой в мозг легко и нет никакого вреда для организма. Мы дадим его людям через диету, и тогда мы сможем обнаружить сигнал», рассказал ученый.
Он пояснил, что первое применение метода, скорее всего будет выполнено в исследованиях по сравнению мозга людей с нейродегенеративным заболеванием и здоровых.
