Obdivuhodná architektonika mozkové kůry

Žijeme v době rozkvětu nanověd, nanoskopie a nanotechnologií. Také v neurovědách se zrodil nový obor – konektomika. Snaží se podrobně zmapovat, jak jsou vzájemně pospojovány neurony v mozku a zejména v mozkové kůře, nejsložitější hmotě, jaká je dosud lidstvu známa.

Pouhým okem pozorujeme okolní makrosvět, Hubbleovým teleskopem se díváme do hlubin kosmického megasvěta, superrezoluční světelné mikroskopy nám umožňují vidět mikrosvět a elektronové mikroskopy či mikroskopy využívající atomárních sil nám otevírají ještě menší a tajemnější nanosvět. Ten obdržel své jméno od nanometru, to jest jedné miliardtiny metru (10^–9 m), což představuje asi 10 atomů vodíku seřazených vedle sebe. Konektomika chce vlastně pořídit kompletní „elektroinstalační schéma“ mozku. Je to nadlidský úkol, kladoucí velké nároky na laboratorní techniku i na čas neurobiologů a počítačových expertů. Vyžaduje analýzu velkých objemů mozkové tkáně nejen na úrovni mikrometrového rozlišení, ale zejména na úrovni nanometrové, a to v trojrozměrné podobě.

Prostorový hlavolam obsažený v rekonstruovaném objemu tkáně lze v počítači rozebírat a odhalovat, nebo zcela izolovat jednotlivé objekty (axony zbarveny zeleně, dendrity žlutě a okrově, glie šedomodře).Snímek Josef Špaček

Trojrozměrná rekonstrukce tkáně mozkové kůry velikosti 6 × 6 × 5 μm. Barevně jsou rozlišeny axony (zeleně), dendrity (žlutě) a glie (modře). Hrana měřítka (krychličky v levém dolním rohu) je 1 μm. Pozadí tvoří dvojrozměrný elektronogram ultratenkého řezu mozkovou tkání.Snímek Josef Špaček

Trojrozměrná ultrastruktura mozkové kůry vypadá úplně jinak než plošné obrazy známé z učebnicových schémat nebo ze světelného mikroskopu (obr. 1 a obrázek na obálce). Nenajdeme v ní žádné prázdné prostory, jen dvacetinanometrové štěrbinky mezi těsně propletenými výběžky nervových a gliových buněk, které s trochou nadsázky můžeme přirovnat ke kupičce uvařených špaget nebo čínských nudlí. Nalijeme na ně kečup, trochu je slisujeme – a máme před sebou primitivní model neuropilu – spleti nervových a gliových výběžků. Špagety jsou axony a dendrity neuronů, jejichž těla ponechme protentokrát stranou, kečup vyplňující štěrbiny mezi špagetami imituje výběžky gliových buněk. Žádný prázdný prostor nezůstává.

Představme si teď na chvíli, že jsme členy týmu neurobiologů. Jako cíl jsme si stanovili kompletně zrekonstruovat krychličku mozkové kůry velikosti 6 × 6 × 5 mikrometrů, jejíž objem je srovnatelný s červenou krvinkou (obr. 4). Naším úkolem bude bezpečně identifikovat všechny výběžky, barevně je odlišit a pojmenovat, spočítat, změřit jejich povrch a objem, zjistit, ve kterých místech a jakým způsobem se vzájemně dotýkají a jakou mají vnitřní strukturu; tu podle potřeby také zrekonstruovat a změřit.

Z etických i technických důvodů to ale nelze dělat s lidskou mozkovou kůrou. Budeme muset obětovat laboratorní myšku; její mozek bez dotyku fixovat, dehydrovat, zalít do polymerní pryskyřice a nakrájet dlouhou nepřerušenou sérii ultratenkých, pro neozbrojené oko neviditelných řezů (obr. 3A). Ty vyfotografujeme v transmisním elektronovém mikroskopu a zdigitalizované snímky v počítači vzájemně přesně zorientujeme – zarovnáme je jako balíček karet.

V nejmoderněji vybavené laboratoři k sérii snímků dospějeme snadněji: nikoli krájením, ale postupným odfrézováním povrchu tkáně zaostřeným paprskem iontů uvnitř rastrovacího elektronového mikroskopu. Fotografujeme vždy nově odhalený povrch bloku (obr. 3B).

Reprezentanti analyzovaných objektů: zleva axon, dendrit, synapse a gliová síť. Objekty nejsou znázorněny ve stejném měřítku.Snímek Josef Špaček

Pořídit onu sérii řezů, bez které trojrozměrnou sériovou elektronovou mikroskopii dělat nelze, zvládá jen málo laboratoří na světě. Jakmile ji ale máme uloženou v počítači, ostatní už je snadné. Průřezy všech výběžků na řezech segmentujeme (konturujeme) ručně nebo automaticky, barevně označíme, pojmenujeme a očíslujeme. V případě naší krychličky (6 × 6 × 5 µm čili 100 ultratenkých řezů o tlouštce 0,05 mikrometru) to bude zkušený expert dělat ručně kolem 160 hodin, automaticky (s následnou korekcí) asi 60 hodin. Software počítače se pak postará o pospojování a vymodelování plášťů všech struktur, vypočítá objemy a povrchy a odevzdá nám hotovou rekonstrukci – komplexní digitální model vytoužené krychličky (obr. 1 a obrázek na obálce).

Nyní lze konečně přistoupit k analýze. Všechny výběžky a jejich spoje obsažené v rekonstruovaném objemu (v našem případě 451 axonů, 151 dendritů, 496 synapsí a souborně pojatá gliová prostorová síť, celkem 1099 identifikovaných elementů) mohou být v počítači z onoho prostorového hlavolamu izolovány a podrobně hodnoceny kvalitativně i kvantitativně, včetně jejich organelové výbavy (obr. 2, 5, 6). Zvláštní zřetel si zaslouží hodnocení neuronálních spojů – synapsí, ve kterých si neurony předávají informační signály. Zajímat nás bude jejich umístění, tvar, velikost a počet (obr. 7). Zdá se, že v jediném kubickém milimetru savčí mozkové kůry mohou být mezi neurony téměř 3 miliardy synapsí, v kůře mozečku dokonce víc než 3× tolik.

Apikální dendrit pyramidové buňky mozkové kůry hipokampu se synapsemi na dendritických trnech.Snímek Josef Špaček