Ученые составили карту мозга плодовых мух, чтобы раскрыть информацию о нейронных цепях

Группа ученых, поддерживаемая инициативой BRAIN Национального института здравоохранения (NIH), в том числе Дэви Бок, доктор философии, доцент кафедры неврологических наук в Медицинском колледже Роберта Ларнера при UVM, недавно добилась существенного прогресса в нейробиологическое исследование путем успешного картирования всего мозга Drosophila melanogaster, более известного как плодовая мушка.

Исследование под названием «Аннотация всего мозга и мультиконнектомное типирование клеток дрозофилы», опубликованное в журнале Природаразработали «атлас типов клеток консенсуса» или всеобъемлющее руководство для понимания различных типов клеток в мозге плодовых мух. Мозг плодовой мухи содержит около 130 000 нейронов (мозг человека содержит 86 миллиардов; мыши, которые часто заменяют человека в научных исследованиях и испытаниях, имеют 100 миллионов нейронов).

Набор данных электронной микроскопии, лежащий в основе коннектома всего мозга (известный как FAFB, или «Полный мозг взрослой мухи»), использует подробные формы каждого нейрона в мозгу мухи, а также все синаптические связи между ними для идентификации и каталогизации всех типов клеток. в мозгу.

Эта полная карта поможет исследователям определить, как различные цепи работают вместе, контролируя такие виды поведения, как моторика, ухаживание, принятие решений, память, обучение и навигация.

«Если мы хотим понять, как работает мозг, нам нужно механистическое понимание того, как все нейроны соединяются друг с другом и позволяют вам думать», — заметил соруководитель исследования Грегори Джефферис, доктор философии.

«Для большинства мозгов мы понятия не имеем, как функционируют эти сети. Теперь у нас есть полная схема соединений, что является ключевым шагом в понимании сложных функций мозга. Фактически, используя наши данные, которыми мы делились в Интернете во время нашей работы, другие ученые уже начали пытаться моделировать, как мозг мухи реагирует на внешний мир».

«Чтобы приступить к цифровому моделированию мозга, нам нужно знать не только структуру мозга, но и то, как нейроны функционируют, включая и выключая друг друга», — сказал Джефферис.

«Используя наши данные, которые были опубликованы в Интернете во время нашей работы, другие ученые уже начали пытаться смоделировать, как мозг мухи реагирует на внешний мир. Это важное начало, но нам нужно будет собрать много разных видов данных, чтобы производить надежные симуляции того, как функционирует мозг».

Хотя аналогичные исследования были проведены с более простыми организмами, такими как нематодный червь C. elegans и личиночная стадия плодовой мухи, взрослая плодовая мушка предлагает для изучения более сложное поведение. Хотя мозг плодовой мухи явно менее сложен, чем мозг человека или даже мыши, последствия исследования весьма значительны.

Существует огромное сходство в том, как нейронные цепи всех видов обрабатывают информацию; эта работа позволяет выявить принципы обработки информации в более простом модельном организме, а затем искать их в более крупном мозге.

Бок отмечает, что ученые в настоящее время неспособны применить этот подход к человеческому мозгу, но заявляет, что это достижение представляет собой заслуживающий внимания шаг на пути к полному коннектому мозга мыши.

«Такой вид работы [being done across this field of connectomics] совершенствует современный уровень техники, что происходит раз в столетие, позволяя нам как отображать формы и связи каждого отдельного нейрона в целом мозге довольно сложного животного, взрослой плодовой мухи, так и аннотировать и анализировать получившийся коннектом с новейшим программным обеспечением аналитики», — сказал Бок.

«Ни световая микроскопия — даже с многоцветной флуоресценцией — ни классический метод Гольджи и родственные ему подходы не предоставили такой возможности.

«Достижение этого подвига в масштабе всего мозга такого важного генетического модельного организма, как плодовая мушка, представляет собой выдающийся прогресс в этой области».

В этом исследовании используются инструменты и данные, полученные Консорциумом FlyWire, в который входят такие руководители исследования, как Бок из UVM; Грегори Джефферис, доктор философии, и Филипп Шлегель, доктор философии, из Лаборатории молекулярной биологии MRC и Кембриджского университета; и Себастьян Сын, доктор философии. и Мала Мурти, доктор философии Принстонского университета.

Консорциум использовал электронно-микроскопические изображения мозга, полученные ранее в лаборатории Бока, для создания подробной карты связей между нейронами во всем мозге взрослой самки плодовой мухи. Эта карта включает около 50 миллионов химических синапсов между вышеупомянутыми 139 255 нейронами мухи.

Исследователи также добавили информацию о различных типах клеток, нервах, линиях развития и прогнозы о нейротрансмиттерах, используемых нейронами. Инструмент анализа данных с открытым доступом Connectome Data Explorer от FlyWire доступен для загрузки и может просматриваться в интерактивном режиме — все это сделано в духе поощрения командной науки. Подробно эта работа описана в сопроводительном документе. Природа статья «Схема нейронных связей мозга взрослого человека».

«Мы сделали всю базу данных открытой и свободно доступной для всех исследователей. Мы надеемся, что это изменит жизнь нейробиологов, пытающихся лучше понять, как работает здоровый мозг», — заявил Мерти. «В будущем мы надеемся, что можно будет сравнить, что происходит, когда в нашем мозге что-то идет не так, например, при психических заболеваниях».

Отслеживая связи между сенсорными клетками и мотонейронами, исследователи могут раскрыть потенциальные механизмы, которые контролируют поведение плодовых мух, что станет важным шагом на пути к пониманию сложностей человеческого познания и поведения.

«Миниатюрная плодовая мушка удивительно сложна и долгое время служила мощной моделью для понимания биологических основ поведения», — сказал Джон Нгай, доктор философии, директор инициативы NIH BRAIN.

«Эта веха не только предоставляет исследователям новый набор инструментов для понимания того, как цепи в мозге управляют поведением, но, что важно, служит предвестником продолжающихся усилий по картированию связей мозга более крупных млекопитающих и человека».