Proč vědci strávili roky mapováním mozku tohoto tvora?

Velikost mozku ovocné mušky je velikostí máku a lze ji snadno přehlédnout.

„Myslím, že většina lidí si ani nemyslí, že ta moucha má mozek,“ řekl Vivek Jayaraman, neurolog z výzkumného kampusu Janelia Research Campus Howarda Hughese Medical Institute ve Virginii. „Ale samozřejmě, mouchy žijí velmi bohatý život.“

Mouchy jsou schopné složitého chování, včetně navigace v různých krajinách, Boj s konkurenty Zpívající potenciální kamarádi. A jejich bodové mozky jsou velmi složité, obsahují asi 100 000 neuronů a Desítky milionů spojení nebo synapsí mezi nimi.

Od roku 2014 tým vědců z Janelia spolupracuje s výzkumníci Google, zmapoval tyto neurony a synapse ve snaze vytvořit komplexní schéma zapojení, známé také jako neuronová síť, mozku Drosophila.

Práce, která je kontinuální, je časově náročná a nákladná, a to i s pomocí moderních algoritmů strojového učení. Doposud zveřejněná data jsou však ve svých detailech ohromující a tvoří atlas desítek tisíc ostnatých neuronů v mnoha klíčových oblastech mozku mouchy.

a teď, V masivním novém listuNeurovědci, zveřejnění v úterý v časopise eLife, začínají ukazovat, co s tím dokážou.

Analýzou neuronové sítě pouze malé části mozku mouchy – centrálního komplexu, který hraje důležitou roli v navigaci – Dr. Gyaraman a jeho kolegové identifikovali desítky nových typů neuronů a specifických nervových obvodů, které, jak se zdá, pomáhají mouchám cestu světem. Práce by nakonec mohla pomoci poskytnout vhled do toho, jak všechny druhy zvířecích mozků, včetně našeho, zpracovávají záplavu smyslových informací a převádějí je do vhodných akcí.

Je to také důkaz principu pro nový obor moderních neuronových spojení, založený na slibu, že vytvoření podrobných schémat zapojení mozku přinese vědecké zisky.

„Je to opravdu neobvyklé,“ řekl o nové práci Dr. Clay Reed, vedoucí výzkumník z Allenova institutu pro mozkové vědy v Seattlu. „Myslím, že každý, kdo se na to podívá, by řekl, že synapse jsou nástrojem, který potřebujeme v neurovědě – úplný konec.“

„Vaše mysl je uvařená“

Jediná kompletní neuronová síť v živočišné říši patří skromnému škrkavce C. elegans. Průkopnický biolog Sidney Brenner, který později získal Nobelovu cenu, zahájil projekt v 60. letech. Jeho malý tým na tom strávil roky a pomocí barevných tužek ručně obkresloval všech 302 neuronů.

„Brenner si uvědomil, že abyste pochopili nervový systém, musíte znát jeho strukturu,“ řekl Scott Emmons, neurolog a genetik z Albert Einstein College of Medicine. Vytvořte novou neuronovou síť C. elegans. To platí napříč biologií. Struktura je velmi důležitá.“

Brenner a kol jejich historický papír, který byl zaznamenán na 340 stranách, v roce 1986.

Ale oblast moderních neuronových spojení se rozjela až po roce 2000, kdy pokroky v zobrazování a výpočetní technice konečně umožnily identifikovat spojení ve větších mozcích. V posledních letech začaly výzkumné týmy po celém světě dávat dohromady neuronové sítě zebřiček, pěvců, myší, lidí a dalších.

Když se Janelia Research Campus otevřel v roce 2006, Gerald Rubin, jeho zakládající ředitel, se zaměřil na ovocnou mušku. „Nechci urazit žádného z červů, ale myslím si, že mouchy jsou nejjednodušší mozek, který skutečně dělá zajímavé a složité chování,“ řekl Dr. Rubin.

Několik různých týmů ve společnosti Janelia se v následujících letech pustilo do projektů letecké komunikační sítě, ale práce, která vedla k novému dokumentu, začala v roce 2014, kdy Mozek pětidenní samičky ovocné mušky.

Vědci nakrájeli mozek mouchy na destičky a poté použili techniku ​​známou jako skenovací elektronová mikroskopie se zaměřeným iontovým paprskem k jejich zobrazení vrstvu po vrstvě. Mikroskop v podstatě fungoval jako velmi malý a velmi přesný pilník na nehty, který odstranil velmi tenkou vrstvu mozku, vyfotografoval obnaženou tkáň a poté proces opakoval, dokud nezbylo nic.

„Současně zobrazujete a řežete malé části mozku mouchy, takže tam po dokončení nejsou,“ řekl Dr. Jayaraman. „Takže když se ti něco pokazí, máš hotovo. Husa je uvařená – nebo tvůj mouchej mozek je uvařený.“

Tým poté pomocí softwaru pro počítačové vidění spojil miliony výsledných snímků do jediné 3D složky a odeslal je Googlu. Tam vědci použili pokročilé algoritmy strojového učení k identifikaci každého jednotlivého neuronu a sledování jeho kroucených větví.

Nakonec Janeliin tým použil další výpočetní nástroje k identifikaci synapsí a lidští výzkumníci zkontrolovali práci počítačů, opravili chyby a revidovali schémata zapojení.

Minulý rok výzkumníci šíření neuronové sítě NS čemu říkali „hemimozek“, Velká část mozku centrální mouchy, která zahrnuje oblasti a struktury nezbytné pro spánek, učení a navigaci.

Nervový systém, který je volně přístupný online, zahrnuje asi 25 000 neuronů a 20 milionů synapsí, což je mnohem větší počet než u C. elegans.

„Je to masivní nárůst,“ řekl Corey Bargman, neurolog z The Rockefeller University v New Yorku. „Je to obrovský krok směrem k cíli pracovat na propojení mozku.“

Vítejte v průvodci

Jakmile byla mozková neuronová síť připravena, Dr. Gyaraman, odborník na neurovědu muší navigace, se dychtil ponořit se do dat v centrální zásobě.

Oblast mozku, která obsahuje přibližně 3 000 neuronů a nachází se u všech druhů hmyzu, pomáhá mouchám vytvořit si vnitřní model jejich prostorového vztahu ke světu a poté zvolit a implementovat chování vhodné pro jejich okolnosti, jako je shánění potravy, když mají hlad.

„Chceš mi říct, že mi můžeš dát schéma zapojení pro něco takového?“ řekl Dr. Jayaraman. „Toto je lepší průmyslová špionáž, než kterou můžete získat tím, že získáte náhled na Apple iPhone.“

On a jeho kolegové prohlíželi data neuronové sítě a studovali, jak jsou nervové okruhy v regionu seskupeny.

Například Hannah Haberkernová, postdoktorandka v laboratoři Dr. Jayaramana, analyzovala neurony, které posílají senzorické informace do elipsoidu, kruhové struktury ve tvaru koláče, která funguje jako Vnitřní muškařský kompas.

Dr. Haberkern zjistil, že neurony, o nichž je známo, že přenášejí informace o polarizaci světla – univerzální ekologický průvodce, který mnoho zvířat používá k navigaci – vytvořily více spojení s neurony kompasu než s neurony, které přenášejí informace o jiných buňkách. Vizuální orientační body a orientační body.

Neurony věnované polarizaci světla se také připojují k mozkovým buňkám, které poskytují informace o dalších navigačních signálech – a jsou schopny je silně inhibovat.

Výzkumníci předpokládají, že mouchy mohou být zapojeny tak, aby upřednostňovaly informace o globálním prostředí na cestách – ale také že tyto okruhy jsou flexibilní, takže když jsou tyto informace nedostatečné, mohou věnovat více pozornosti místním rysům krajiny. „Mají všechny tyto záložní strategie,“ řekl Dr. Haberkern.

Domácí telefon ovocné mušky

Jiní členové výzkumného týmu identifikovali specifické nervové dráhy, které se zdají být vhodné k tomu, aby pomohly mouše sledovat směr její hlavy a těla, předpovídat její budoucí směr a směr cestování, vypočítat její aktuální směr vzhledem k jinému požadovanému místu a poté se pohybovat. tím směrem.

Představte si například, že se hladová moucha dočasně vzdala hnijícího banánu, aby zjistila, zda by mohla zasvištět něco lepšího. Ale po několika minutách neplodného zkoumání (doslova) se chce vrátit ke svému předchozímu jídlu.

Data neuronové sítě naznačují, že určité mozkové buňky, technicky známé jako neurony PFL3, pomáhají mouše tento manévr provést. Tyto neurony dostávají dva důležité vstupy: dostávají signály od neuronů, které sledují směr, kterým moucha čelí, a také od neuronů, které by mohly sledovat směr banánu.

Po obdržení těchto signálů pošlou neurony PFL3 vlastní zprávu skupině neuronů, která vyzve mouchu, aby se otočila správným směrem. Opět se podává večeře.

„Schopnost sledovat tuto aktivitu prostřednictvím tohoto okruhu – od smyslů po motor přes tento složitý meziobvod – je opravdu úžasná,“ řekl Brad Hulse, vědecký pracovník v laboratoři Dr. Jayaramana, který vedl tuto část analýzy. Neuronová síť, dodal, „nám ukázala mnohem víc, než jsme si mysleli, že se stane.“

Sběrný papír – který obsahuje koncept 75 obrázků a má 360 stran – je jen začátek.

„Skutečně nabízí tento klíčový fakt k dalšímu prozkoumání této oblasti mozku,“ řekl Stanley Heinz, odborník na hmyzí neurovědy z Lundské univerzity ve Švédsku. „Je to velmi působivé.“

A prostě impozantní. „Nebral bych to jako výzkumnou práci, ale spíše jako knihu,“ řekl Dr. Heinz.

Ve skutečnosti je papír tak velký, že předtiskový server bioRxiv Nejprve to odmítali zveřejnit, zřejmě proto, že si úředníci – z pochopitelných důvodů – mysleli, že tomu tak skutečně je knihu, řekl doktor Jayaraman. (Server nakonec uvedl, že studie byla zveřejněna po několika dnech zpracování navíc.)

Dr Jayaraman dodal, že publikování článku v eLife „vyžaduje určitá zvláštní povolení a komunikaci s redakční radou“.

Lekce létání

Existují omezení toho, co může snímek jednoho mozku odhalit v jediném okamžiku v čase, a neuronové sítě nezachytí vše zajímavé v mozku zvířete. (Například Janeliina neuronová síť vynechává gliové buňky, které plní všechny druhy důležitých úkolů v mozku.)

Dr. Jayaraman a jeho kolegové tvrdili, že by nebyli schopni mnoho odvodit z neuronové sítě, nebýt desetiletí předchozího výzkumu mnoha dalších vědců o chování ovocných mušek a základní nervové fyziologii a funkci, stejně jako o teoretické neurovědě. práce.

Ale schémata zapojení mohou výzkumníkům pomoci prozkoumat existující teorie a vytvořit lepší hypotézy, rozhodnout se, jaké otázky položit a jaké experimenty provést.

„Nyní jsme opravdu nadšeni tím, že vezmeme ty myšlenky, které byly inspirovány neuronovou sítí a vrátíme se k mikroskopu, vrátíme se zpět k našim elektrodám a skutečně zaznamenáme mozek a uvidíme, zda jsou tyto myšlenky pravdivé,“ řekl Dr. Hulse. .

Samozřejmě by se dalo – a někteří se divili – proč jsou obvody mozku Drosophila tak důležité.

„O prázdninách se mě na to často ptají,“ řekl Dr. Hulse.

Mouchy nejsou myši, šimpanzi nebo lidé, ale jejich mozky plní některé ze stejných základních úkolů.. Pochopení základních nervových obvodů u hmyzu by mohlo poskytnout důležitá vodítka k tomu, jak se mozek jiných zvířat vypořádává s podobnými problémy, řekl David Van Essen, neurolog z Washingtonské univerzity v St. Louis.

Hluboce porozumět mozku mouchy, řekl, „nám také poskytuje poznatky velmi důležité pro pochopení savčích, a dokonce i lidských mozků a jejich chování.“

Vytváření sítí pro větší a složitější mozky bude velmi náročné. Myší mozek obsahuje přibližně 70 milionů neuronů, zatímco lidský mozek má objem 86 miliard.

Ale složitý centrální list rozhodně není sám; V současné době se připravují podrobné studie regionálních myších a lidských neuronových sítí, Dr. Reed řekl: „Je toho mnohem víc, co přijde.“

Redaktoři časopisu, považujte se za varování.