Dlaczego naukowcy spędzili lata na mapowaniu mózgu tego stworzenia?

Mózg muszki owocowej jest wielkości ziarna maku i łatwo go przeoczyć.

„Myślę, że większość ludzi nawet nie myśli, że mucha ma mózg” – powiedział Vivek Jayaraman, neurolog z kampusu badawczego Janelia Research Campus Howard Hughes Medical Institute w Wirginii. „Ale oczywiście muchy żyją bardzo bogatym życiem”.

Muchy są zdolne do złożonych zachowań, w tym poruszania się po zróżnicowanych krajobrazach, Walcz z konkurencją Śpiew potencjalnych kolegów. A ich mózgi wielkości plamek są bardzo złożone, zawierają około 100 000 neuronów i Dziesiątki milionów połączeń lub synaps między nimi.

Od 2014 roku współpracuje zespół naukowców Janelii Badacze Google, zmapowali te neurony i synapsy, starając się stworzyć kompleksowy schemat połączeń mózgu Drosophila, znany również jako sieć neuronowa.

Praca, która jest ciągła, jest czasochłonna i kosztowna, nawet przy pomocy nowoczesnych algorytmów uczenia maszynowego. Jednak opublikowane do tej pory dane są zdumiewające pod względem szczegółowości, tworząc atlas dziesiątek tysięcy neuronów kolczastych w wielu kluczowych obszarach mózgu muchy.

i teraz, W masywnym nowym liściuNeuronaukowcy, opublikowani we wtorek w czasopiśmie eLife, zaczynają pokazywać, co mogą z tym zrobić.

Analizując sieć neuronową tylko niewielkiej części mózgu muchy – kompleksu centralnego, który odgrywa ważną rolę w nawigacji – dr Gyaraman wraz z kolegami zidentyfikował dziesiątki nowych typów neuronów i określonych obwodów neuronowych, które wydają się pomagać muchom w ich tworzeniu. drogę przez świat. Prace mogą ostatecznie pomóc w uzyskaniu wglądu w to, jak wszelkiego rodzaju mózgi zwierząt, w tym nasz, przetwarzają zalew informacji sensorycznych i przekładają je na odpowiednie działania.

Jest to również dowód zasady dla nowej dziedziny nowoczesnych połączeń neuronowych, zbudowany na obietnicy, że tworzenie szczegółowych schematów połączeń mózgu przyniesie korzyści naukowe.

„To naprawdę niezwykłe” – powiedział dr Clay Reed, starszy badacz w Allen Institute for Brain Sciences w Seattle, w nowym artykule. „Myślę, że każdy, kto na to spojrzy, powiedziałby, że synapsy są narzędziem, którego potrzebujemy w neuronauce – całkowite zatrzymanie”.

„Twoja mucha umysłu jest ugotowana”

Jedyna kompletna sieć neuronowa w królestwie zwierząt należy do skromnej glisty C. elegans. Pionierski biolog Sidney Brenner, który później zdobył Nagrodę Nobla, rozpoczął projekt w latach 60. XX wieku. Jego mały zespół spędził nad tym lata, używając kolorowych ołówków do ręcznego śledzenia wszystkich 302 neuronów.

„Brenner zdał sobie sprawę, że aby zrozumieć układ nerwowy, trzeba znać jego strukturę” – powiedział Scott Emmons, neurolog i genetyk z Albert Einstein College of Medicine. Utwórz nową sieć neuronową C. elegans. Dotyczy to całej biologii. Struktura jest bardzo ważna”.

Brenner i inni ich historyczna gazeta, który został zapisany na 340 stronach, w 1986 roku.

Ale dziedzina nowoczesnych połączeń neuronowych nie wystartowała aż do 2000 roku, kiedy postępy w obrazowaniu i informatyce umożliwiły wreszcie identyfikację połączeń w większych mózgach. W ostatnich latach zespoły badawcze na całym świecie zaczęły łączyć sieci neuronowe danio pręgowanego, ptaków śpiewających, myszy, ludzi i nie tylko.

Kiedy Janelia Research Campus został otwarty w 2006 roku, Gerald Rubin, jego dyrektor założyciel, zainteresował się muszką owocową. „Nie chcę urazić żadnego z moich kolegów robaków, ale myślę, że muchy są najprostszym mózgiem, który faktycznie zachowuje się w interesujący i złożony sposób” – powiedział dr Rubin.

Kilka różnych zespołów w Janelii rozpoczęło w następnych latach projekty dotyczące sieci łączności lotniczej, ale prace, które doprowadziły do ​​powstania nowego artykułu, rozpoczęły się w 2014 r. Mózg pięciodniowej samicy muszki owocowej.

Naukowcy pokroili mózg muchy na płytki, a następnie zastosowali technikę znaną jako mikroskopia elektronowa skanująca wiązką jonów, aby zobrazować je warstwa po warstwie. Mikroskop zasadniczo działał jak bardzo mały i bardzo precyzyjny pilnik do paznokci, usuwając bardzo cienką warstwę mózgu, robiąc zdjęcie odsłoniętej tkanki, a następnie powtarzając proces, aż nic nie zostało.

„Jednocześnie obrazujesz i wycinasz małe segmenty mózgu muchy, więc nie ma ich tam, gdy skończysz” – powiedział dr Jayaraman. „Więc jeśli coś pomylisz, to koniec. Gęś jest ugotowana – albo twój mózg muchy jest ugotowany.”

Następnie zespół wykorzystał oprogramowanie do widzenia komputerowego, aby połączyć miliony powstałych obrazów w jednym folderze 3D i wysłać je do Google. Tam naukowcy wykorzystali zaawansowane algorytmy uczenia maszynowego, aby zidentyfikować każdy pojedynczy neuron i śledzić jego skręcające się gałęzie.

Wreszcie zespół Janelii wykorzystał dodatkowe narzędzia obliczeniowe do identyfikacji synaps, a naukowcy dokonali przeglądu pracy komputerów, poprawili błędy i poprawili schematy połączeń.

W zeszłym roku naukowcy propagacja sieci neuronowej NS to, co nazywali „półmózgiem”, Duża część mózgu centralnej muchy, która obejmuje obszary i struktury niezbędne do snu, uczenia się i nawigacji.

Układ nerwowy, który jest swobodnie dostępny w Internecie, obejmuje około 25 000 neuronów i 20 milionów synaps, czyli znacznie więcej niż C. elegans.

„To ogromny wzrost”, powiedział Corey Bargman, neurolog z The Rockefeller University w Nowym Jorku. „To ogromny krok w kierunku celu, jakim jest praca nad łącznością mózgu”.

Witamy w przewodniku

Gdy sieć neuronowa mózgu była już gotowa, dr Gyaraman, ekspert w dziedzinie neuronauki nawigacji much, zapragnął zagłębić się w dane w centralnym basenie.

Obszar mózgu, który zawiera około 3000 neuronów i znajduje się u wszystkich owadów, pomaga muchom budować wewnętrzny model ich przestrzennej relacji ze światem, a następnie wybierać i wdrażać zachowania odpowiednie do ich warunków, takie jak poszukiwanie pożywienia, gdy są głodne.

„Mówisz mi, że możesz dać mi schemat elektryczny dla czegoś takiego?” Dr Jayaraman powiedział. „To lepsze szpiegostwo przemysłowe, niż można uzyskać, uzyskując wgląd w iPhone’a Apple”.

On i jego koledzy przejrzeli dane z sieci neuronowej, badając, w jaki sposób obwody neuronowe w regionie zostały zgrupowane.

Na przykład Hannah Haberkern, habilitant w laboratorium dr Jayaramana, przeanalizowała neurony, które wysyłają informacje sensoryczne do elipsoidy, okrągłej struktury w kształcie ciasta, która działa jak Kompas do latania w pomieszczeniach.

Dr Haberkern odkrył, że neurony, o których wiadomo, że przekazują informacje o polaryzacji światła – uniwersalny przewodnik ekologiczny, którego wiele zwierząt używa do nawigacji – mają więcej połączeń z neuronami kompasu niż z neuronami, które przekazują informacje o innych komórkach. Wizualne punkty orientacyjne i punkty orientacyjne.

Neurony zajmujące się polaryzacją światła łączą się również z komórkami mózgowymi, które dostarczają informacji o innych sygnałach nawigacyjnych – i są w stanie poważnie je hamować.

Naukowcy stawiają hipotezę, że mózgi much mogą być podłączone do priorytetów informacji o globalnym środowisku w ruchu – ale także, że te obwody są elastyczne, więc gdy te informacje są niewystarczające, mogą zwracać większą uwagę na lokalne cechy krajobrazu. „Oni mają wszystkie te strategie tworzenia kopii zapasowych” – powiedział dr Haberkern.

Telefon domowy z muchą owocową

Inni członkowie zespołu badawczego zidentyfikowali określone ścieżki neuronowe, które wydają się dobrze przystosowane do pomagania muchy w śledzeniu kierunku jej głowy i ciała, przewidywaniu przyszłego kierunku i kierunku podróży, obliczaniu bieżącego kierunku względem innej pożądanej lokalizacji, a następnie poruszaniu się w tym kierunku.

Wyobraźmy sobie na przykład, że głodna mucha chwilowo zrezygnowała z gnijącego banana, aby sprawdzić, czy może szeleść czymś lepszym. Ale po kilku minutach bezowocnych poszukiwań (dosłownie) chce wrócić do poprzedniego posiłku.

Dane z sieci neuronowych sugerują, że pewne komórki mózgowe, znane technicznie jako neurony PFL3, pomagają muchom wykonać ten manewr. Te neurony otrzymują dwa ważne dane wejściowe: otrzymują sygnały od neuronów, które podążają w kierunku, w którym zwrócona jest mucha, a także od neuronów, które mogą monitorować kierunek banana.

Po otrzymaniu tych sygnałów neurony PFL3 wysyłają własną wiadomość do grupy neuronów, które skłaniają muchę do zwrócenia się we właściwym kierunku. Kolacja jest ponownie serwowana.

„Możliwość śledzenia tej aktywności poprzez ten obwód – od zmysłów do silnika poprzez ten złożony obwód pośredni – jest naprawdę niesamowita” – powiedział Brad Hulse, naukowiec z laboratorium dr Jayaramana, który kierował tą częścią analizy. Dodał, że sieć neuronowa „pokazała nam o wiele więcej, niż sądziliśmy, że się wydarzy”.

Papier kolekcjonerski – zawierający szkic 75 figur i obejmujący 360 stron – to dopiero początek.

„To naprawdę oferuje ten kluczowy fakt, aby dalej badać ten region mózgu” – powiedział Stanley Heinz, ekspert w dziedzinie neuronauki owadów na Uniwersytecie w Lund w Szwecji. „To bardzo imponujące”.

I po prostu groźny. „Nie traktowałbym tego jako artykułu badawczego, ale raczej jako książkę” – powiedział dr Heinz.

W rzeczywistości papier jest tak duży, że serwer prepress bioRxiv Początkowo odmówili publikacji, prawdopodobnie dlatego, że urzędnicy – ​​ze zrozumiałych powodów – myśleli, że naprawdę tak było książki, powiedział dr Jayaraman. (Serwer ostatecznie wskazał, że badanie zostało opublikowane po kilku dodatkowych dniach przetwarzania).

Dr Jayaraman dodał, że opublikowanie artykułu w eLife „wymaga specjalnych zezwoleń i komunikacji z redakcją”.

Lekcje latania

Istnieją ograniczenia co do tego, co zdjęcie pojedynczego mózgu może ujawnić w danym momencie, a sieci neuronowe nie wychwytują wszystkiego, co interesujące w mózgu zwierzęcia. (Na przykład sieć neuronowa Janelii pomija komórki glejowe, które wykonują wszelkiego rodzaju ważne zadania w mózgu).

Dr Jayaraman i koledzy stwierdzili, że nie byliby w stanie wiele wywnioskować z sieci neuronowej, gdyby nie dziesięciolecia wcześniejszych badań prowadzonych przez wielu innych naukowców na temat zachowania muszek owocowych oraz podstawowej fizjologii i funkcji neuronów, a także neuronauki teoretycznej. Praca.

Ale schematy połączeń mogą pomóc naukowcom zbadać istniejące teorie i sformułować lepsze hipotezy, decydując, jakie pytania zadać i jakie eksperymenty przeprowadzić.

„Teraz jesteśmy naprawdę podekscytowani, biorąc te pomysły, które zostały zainspirowane przez sieć neuronową, i wracamy do mikroskopu, wracamy do naszych elektrod i faktycznie rejestrujemy mózg i sprawdzamy, czy te pomysły są prawdziwe” – powiedział dr Hulse. .

Oczywiście można było – a niektórzy się zastanawiali – dlaczego obwody mózgu Drosophila są tak ważne.

„Często jestem o to pytany w wakacje” – powiedział dr Hulse.

Muchy nie są myszami, szympansami ani ludźmi, ale ich mózgi wykonują niektóre z tych samych podstawowych zadań.. Zrozumienie podstawowych obwodów neuronalnych u owadów może dostarczyć ważnych wskazówek, jak mózgi innych zwierząt radzą sobie z podobnymi problemami, powiedział David Van Essen, neurolog z Washington University w St. Louis.

Zdobycie głębokiego zrozumienia mózgu muchy, powiedział, „daje nam również wgląd bardzo istotny dla zrozumienia mózgów ssaków, a nawet ludzi i ich zachowania”.

Tworzenie sieci dla większych i bardziej złożonych mózgów będzie dużym wyzwaniem. Mózg myszy zawiera około 70 milionów neuronów, podczas gdy mózg ludzki ma objętość 86 miliardów.

Ale złożony centralny liść z pewnością nie jest sam; Obecnie w przygotowaniu są szczegółowe badania regionalnych sieci neuronowych myszy i człowieka, dr Reed powiedział: „Jest znacznie więcej w przyszłości”.

Redaktorzy czasopisma, uważajcie się za ostrzeżenie.