De ce au petrecut oamenii de știință ani de zile cartografiind creierul acestei creaturi?

Dimensiunea creierului unei muște de fructe este de dimensiunea unei semințe de mac și este ușor de trecut cu vederea.

„Cred că cei mai mulți oameni nici măcar nu cred că musca are un creier”, a spus Vivek Jayaraman, neuroștiință la campusul de cercetare Janelia al Institutului Medical Howard Hughes din Virginia. „Dar, desigur, muștele duc o viață foarte bogată”.

Muștele sunt capabile de comportamente complexe, inclusiv navigarea în diverse peisaje, Luptă cu concurenții Potențiali prieteni cântând. Iar creierul lor de dimensiunea unui punct este foarte complex, conținând aproximativ 100.000 de neuroni și Zeci de milioane de conexiuni sau sinapse între ele.

Din 2014, o echipă de oameni de știință de la Janelia a colaborat Cercetătorii Google, a cartografiat acești neuroni și sinapse într-un efort de a crea o diagramă de conexiuni cuprinzătoare, cunoscută și sub numele de rețea neuronală, a creierului Drosophila.

Lucrarea, care este continuă, necesită timp și costisitoare, chiar și cu ajutorul algoritmilor moderni de învățare automată. Dar datele publicate până acum sunt uimitoare în detalii, formând un atlas de zeci de mii de neuroni spinoși în multe regiuni cruciale ale creierului muștei.

si acum, Într-o frunză nouă masivăOamenii de știință în neuroștiință, publicate marți în jurnalul eLife, încep să arate ce pot face cu ea.

Analizând rețeaua neuronală doar a unei mici părți din creierul unei muște – complexul central, care joacă un rol important în navigație – dr. Gyaraman și colegii săi au identificat zeci de noi tipuri de neuroni și circuite neuronale specifice care par să ajute muștele să-și facă drum prin lume. Lucrarea ar putea ajuta în cele din urmă să ofere o perspectivă asupra modului în care toate tipurile de creier de animale, inclusiv al nostru, procesează un val de informații senzoriale și le transpun în acțiuni adecvate.

Este, de asemenea, o dovadă de principiu pentru noul domeniu al conexiunilor neuronale moderne, construit pe promisiunea că crearea de diagrame detaliate de cablare a creierului va aduce câștiguri științifice.

„Este cu adevărat neobișnuit”, a spus Dr. Clay Reed, cercetător senior la Institutul Allen pentru Științe ale Creierului din Seattle, despre noua lucrare. „Cred că oricine se uită la asta ar spune că sinapsele sunt un instrument de care avem nevoie în neuroștiință – o oprire completă”.

„Musca minții tale este gătită”

Singura rețea neuronală completă din regnul animal aparține umilului vierme rotunzi, C. elegans. Biologul de pionier Sidney Brenner, care mai târziu a câștigat un premiu Nobel, a început proiectul în anii 1960. Mica lui echipă și-a petrecut ani de zile, folosind creioane colorate pentru a urmări cu mâna toți cei 302 neuroni.

„Brenner și-a dat seama că pentru a înțelege sistemul nervos, trebuie să-i cunoașteți structura”, a spus Scott Emmons, specialist în neuroștiință și genetician la Colegiul de Medicină Albert Einstein. Creați o nouă rețea neuronală C. elegans. Acest lucru este valabil în întreaga biologie. Structura este foarte importantă.”

Brenner şi colab lucrarea lor istorică, care a fost înregistrat pe 340 de pagini, în 1986.

Însă domeniul conexiunilor neuronale moderne nu a decolat decât în ​​anii 2000, când progresele în imagistică și calcul au făcut în sfârșit posibilă identificarea conexiunilor în creierul mai mare. În ultimii ani, echipele de cercetare din întreaga lume au început să pună cap la cap rețelele neuronale ale peștilor zebra, păsărilor cântătoare, șoarecilor, oamenilor și multe altele.

Când Janelia Research Campus s-a deschis în 2006, Gerald Rubin, directorul fondator al acestuia, și-a pus ochii pe musca fructelor. „Nu vreau să jignesc niciunul dintre viermii mei, dar cred că muștele sunt cel mai simplu creier care are de fapt un comportament interesant și complex”, a spus dr. Rubin.

Mai multe echipe diferite de la Janelia s-au angajat în proiecte de rețea de comunicații aviatice în anii următori, dar munca care a condus la noua lucrare a început în 2014, cu Creierul unei muște de fructe femele de cinci zile.

Cercetătorii au tăiat creierul unei muște în plăci și apoi au folosit o tehnică cunoscută sub numele de microscopie electronică cu scanare cu fascicul ionic focalizat pentru a le imagine, strat cu strat. Microscopul a funcționat în esență ca o pilă de unghii foarte mică și foarte precisă, îndepărtând un strat foarte subțire al creierului, făcând o fotografie a țesutului expus și apoi repetând procesul până când nu a mai rămas nimic.

„Sunteți imagini și tăiați simultan segmente mici ale creierului muștei, astfel încât acestea să nu fie acolo după ce ați terminat”, a spus dr. Jayaraman. „Așa că, dacă înțelegi ceva greșit, ai terminat. Gâsca este gătită – sau creierul tău de muscă este gătit.”

Echipa a folosit apoi un software de viziune computerizată pentru a uni milioanele de imagini rezultate într-un singur folder 3D și a le trimite la Google. Acolo, cercetătorii au folosit algoritmi avansați de învățare automată pentru a identifica fiecare neuron individual și a urmări ramurile sale răsucitoare.

În cele din urmă, echipa Janeliei a folosit instrumente de calcul suplimentare pentru a identifica sinapsele, iar cercetătorii umani au revizuit munca computerelor, au corectat erorile și au revizuit diagramele de conexiuni.

Anul trecut, cercetătorii propagarea rețelelor neuronale NS ceea ce au numit „hemibrain”, O mare parte a creierului muștei centrale, care include zone și structuri esențiale pentru somn, învățare și navigare.

Sistemul nervos, care este accesibil online gratuit, include aproximativ 25.000 de neuroni și 20 de milioane de sinapse, ceea ce reprezintă un număr mult mai mare decât C. elegans.

„Este o creștere masivă”, a spus Corey Bargman, neuroștiință la Universitatea Rockefeller din New York. „Acesta este un pas uriaș către obiectivul de a lucra la conectivitatea creierului”.

Bun venit la ghid

Odată ce rețeaua neuronală a creierului a fost gata, dr. Gyaraman, un expert în neuroștiința navigației cu zbor, a fost dornic să se scufunde în datele din piscina centrală.

Regiunea creierului, care conține aproximativ 3.000 de neuroni și se găsește la toate insectele, ajută muștele să construiască un model intern al relației lor spațiale cu lumea și apoi să aleagă și să implementeze comportamente adecvate circumstanțelor lor, cum ar fi să caute hrană atunci când le este foame.

— Vrei să-mi spui că poți să-mi dai schema de cablare pentru așa ceva? a spus dr. Jayaraman. „Acesta este un spionaj industrial mai bun decât puteți obține dacă obțineți informații despre iPhone-ul Apple”.

El și colegii săi au cercetat datele rețelei neuronale, studiind modul în care circuitele neuronale din regiune au fost grupate.

De exemplu, Hannah Haberkern, un bursier postdoctoral în laboratorul Dr. Jayaraman, a analizat neuronii care trimit informații senzoriale către elipsoid, o structură circulară în formă de turtă care acționează ca un Busolă pentru interior.

Dr. Haberkern a descoperit că neuronii despre care se știe că transmit informații despre polarizarea luminii – un ghid ecologic universal pe care multe animale îl folosesc pentru navigare – au făcut mai multe conexiuni cu neuronii busolei decât cu neuronii care transmit informații despre alte celule. Repere vizuale și repere.

Neuronii dedicați polarizării luminii se conectează și la celulele creierului care oferă informații despre alte semnale de navigație – și sunt capabili să le inhibe sever.

Cercetătorii presupun ipoteza că creierele de muște pot fi conectate pentru a acorda prioritate informațiilor despre mediul global din mers, dar și că aceste circuite sunt flexibile, astfel încât atunci când aceste informații sunt insuficiente, ei pot acorda mai multă atenție caracteristicilor locale ale peisajului. „Au toate aceste strategii de rezervă”, a spus dr. Haberkern.

Telefon de acasă cu muscă de fructe

Alți membri ai echipei de cercetare au identificat căi neuronale specifice care par bine potrivite pentru a ajuta musca să urmărească direcția capului și a corpului, să prezică direcția viitoare și direcția de deplasare, să calculeze direcția actuală în raport cu o altă locație dorită și apoi să se deplaseze. în acea direcție.

Imaginați-vă, de exemplu, că o muscă flămândă a renunțat temporar la o banană putrezită pentru a vedea dacă ar putea zgudui ceva mai bun. Dar după câteva minute de explorare inutilă (la propriu), vrea să se întoarcă la masa anterioară.

Datele rețelei neuronale sugerează că anumite celule ale creierului, cunoscute din punct de vedere tehnic ca neuroni PFL3, ajută musca să realizeze această manevră. Acești neuroni primesc două intrări importante: primesc semnale de la neuronii care urmează direcția în care se confruntă musca și, de asemenea, de la neuronii care ar putea monitoriza direcția bananei.

După ce primesc aceste semnale, neuronii PFL3 își trimit propriul mesaj către un grup de neuroni care determină musca să vireze în direcția corectă. Cina se servește din nou.

„Abilitatea de a urmări această activitate prin acel circuit – de la simțuri la motor prin acest circuit intermediar complex – este cu adevărat uimitoare”, a spus Brad Hulse, cercetător în laboratorul Dr. Jayaraman, care a condus această parte a analizei. Rețeaua neuronală, a adăugat el, „ne-a arătat mult mai multe decât am crezut că se va întâmpla”.

Lucrarea de colecție – care include o schiță de 75 de figuri și se întinde pe 360 ​​de pagini – este doar începutul.

„Oferă cu adevărat acest fapt cheie pentru a explora această regiune a creierului în continuare”, a spus Stanley Heinz, expert în neuroștiința insectelor la Universitatea Lund din Suedia. „Este foarte impresionant”.

Și pur și simplu formidabil. „Nu l-aș trata ca pe o lucrare de cercetare, ci mai degrabă ca pe o carte”, a spus dr. Heinz.

De fapt, hârtia este atât de mare încât serverul de prepress bioRxiv La început au refuzat să-l publice, probabil pentru că oficialii – din motive de înțeles – au crezut că așa este carte, a spus dr. Jayaraman. (Serverul a indicat în cele din urmă că studiul a fost publicat, după câteva zile suplimentare de procesare.)

Dr. Jayaraman a adăugat că publicarea lucrării în eLife „necesită niște permisiuni speciale și comunicare cu redacția”.

Lecții de zbor

Există limitări la ceea ce poate dezvălui un instantaneu al unui singur creier la un singur moment în timp, iar rețelele neuronale nu captează tot ceea ce este interesant în creierul unui animal. (De exemplu, rețeaua neuronală a Janeliei omite celulele gliale, care îndeplinesc tot felul de sarcini importante în creier.)

Dr. Jayaraman și colegii săi au afirmat că nu ar fi fost capabili să deducă multe din rețeaua neuronală dacă nu pentru decenii de cercetări anterioare, de către mulți alți oameni de știință, în comportamentul muștelor fructelor și fiziologia și funcția neuronală de bază, precum și neuroștiința teoretică. muncă.

Dar diagramele de conexiuni pot ajuta cercetătorii să investigheze teoriile existente și să formeze ipoteze mai bune, hotărând ce întrebări să pună și ce experimente să efectueze.

„Acum, ceea ce suntem cu adevărat încântați este să luăm acele idei care au fost inspirate de rețeaua neuronală și să ne întoarcem la microscop, să revenim la electrozii noștri și să înregistrăm efectiv creierul și să vedem dacă acele idei sunt adevărate”, a spus dr. Hulse. .

Desigur, cineva ar putea – și unii s-au întrebat – de ce circuitele creierului Drosophila sunt atât de importante.

„Sunt întrebat foarte des despre asta în vacanțe”, a spus dr. Hulse.

Muștele nu sunt șoareci, cimpanzei sau oameni, dar creierul lor îndeplinește unele dintre aceleași sarcini de bază.. Înțelegerea circuitelor neuronale de bază la o insectă ar putea oferi indicii importante despre modul în care creierul altor animale se confruntă cu probleme similare, a spus David Van Essen, neuroștiință la Universitatea Washington din St. Louis.

Dobândind o înțelegere profundă a creierului muștei, a spus el, „ne oferă, de asemenea, perspective foarte relevante pentru înțelegerea creierului mamiferelor, și chiar umane, și a comportamentului lor”.

Crearea de rețele pentru creiere mai mari și mai complexe va fi foarte dificilă. Creierul șoarecelui conține aproximativ 70 de milioane de neuroni, în timp ce creierul uman are un volum de 86 de miliarde.

Dar frunza centrală complexă nu este cu siguranță singură; În prezent, studii detaliate ale rețelelor neuronale regionale ale șoarecilor și umane sunt în curs de desfășurare, a spus dr. Reed: „Urmează mult mai mult”.

Editori de reviste, considerați-vă un avertisment.