резюме: Дослідникам вдалося відобразити нейронну активність хробака C. elegans, пов’язавши її з його поведінкою, такою як пересування та харчування.
Використовуючи нові техніки та методології, вони розробили вичерпний атлас, який показує, як більшість нейронів хробака кодують його різні дії.
Це дослідження дає комплексне розуміння того, як нервова система тварин контролює поведінку. Висновки команди, дані та моделі доступні на WormWideWeb.
Ключові факти:
- У дослідженні використовувався новий мікроскоп і система програмного забезпечення, яка відстежує майже всю поведінку хробака та активність кожного нейрона в його голові.
- Дослідження показало, що нейрони кодують поточну та минулу поведінку, дозволяючи хробаку зрозуміти, як його минулі дії вплинули на поточну ситуацію.
- Важливим відкриттям було те, що 30% нейронів, які кодують поведінку, можуть змінювати кодування своєї поведінки, адаптуючи свої функції відповідно до змін умов.
джерело: Інститут навчання та пам’яті Піккоера
Щоб повністю зрозуміти взаємозв’язок між мозковою діяльністю та поведінкою, вченим потрібен був спосіб відобразити цей зв’язок на всіх нейронах у всьому мозку — наразі непереборна проблема.
Але після винаходу нових технік і методів для цього команда вчених з Інституту навчання та пам’яті Піковер Массачусетського технологічного інституту зробила точне обчислення нейронів у мозку скромної людини. C. elegans Хробак, який демонструє, як клітини його мозку кодують майже всі його основні поведінкові дії, такі як пересування та харчування.
в журналі клітинка, Команда представляє нові записи на рівні мозку та математичну модель, яка точно передбачає різноманітні способи, за допомогою яких нейрони представляють поведінку хробака.
Застосовуючи цю модель до кожної клітини конкретно, команда створила атлас того, як більшість клітин кодує та схеми, у яких задіяні дії тварин. Таким чином, атлас розкриває «логіку» того, як мозок хробака може виробляти еволюціонуючий і гнучкий репертуар поведінки, навіть якщо умови навколишнього середовища змінюються.
«Це дослідження надає глобальну карту того, як нервова система тварин регулюється, щоб контролювати поведінку», — сказав старший автор Стівен Флавелл, доцент кафедри мозку та когнітивних наук Массачусетського технологічного інституту.
«Це показує, скільки специфічних гангліїв, що складають нервову систему тварини, кодують тонкі особливості поведінки, і як це залежить від таких факторів, як останній досвід тварини та поточний стан».
Аспіранти Чонсу Кім і Адам Атанас, кожен з яких отримав докторські ступені цієї весни для дослідження, є провідними авторами дослідження. Вони також зробили всі свої дані, результати моделювання та атлас у вільному доступі для колег-дослідників на веб-сайті під назвою WormWideWeb.
мікроскопи для моделей
Щоб провести вимірювання, необхідні для розробки своєї моделі, лабораторія Флавелла винайшла новий мікроскоп і програмну систему, яка автоматично відстежує майже всю поведінку хробака (рух, харчування, сон, відкладання яєць тощо) і активність кожного нейрона всередині нього. . Голова (клітини влаштовані спалахувати при накопиченні іонів кальцію).
Розрізнення дискретних нейронів і надійне відстеження їх, коли черв’як звивається та згинається, вимагало написання спеціального програмного забезпечення з використанням найновіших інструментів машинного навчання. Було показано, що він точний на 99,7 відсотка при вибірці активності окремих нейронів зі значним покращенням співвідношення сигнал/шум порівняно з попередніми системами, повідомляють вчені.
Команда використовувала систему для запису синхронізованої поведінки та нейронних даних понад 60 хробаків, коли вони ходили навколо свого посуду, роблячи все, що хотіли.
Аналіз даних виявив три нових спостереження нейронної активності хробака: нейрони відстежують поведінку не лише в теперішній момент, але й у недавньому минулому. Вони коригують своє кодування поведінки, наприклад рух, на основі дивовижної різноманітності факторів; І багато нейронів одночасно кодують багато поведінки.
Наприклад, хоча поведінка звиватися навколо маленької лабораторної тарілки може здатися дуже простою дією, нейрони враховують такі фактори, як швидкість, орієнтація та те, чи їсть хробак чи ні. У деяких випадках вони представляли рух тварини в часі приблизно хвилиною.
Кодуючи останній рух, а не лише поточний, ці нейрони можуть допомогти хробаку обчислити, як його минулі дії впливають на поточні результати. Багато нейронів також поєднують поведінкову інформацію для виконання більш складних маневрів.
Подібно до того, як водій-людина повинен пам’ятати про те, щоб керувати автомобілем заднім ходом, коли їде заднім ходом, а не вперед, деякі нейрони в мозку хробака об’єднують напрямок руху тварини та напрямок рульового керування.
Ретельно аналізуючи подібні закономірності того, як нервова активність пов’язана з поведінкою, вчені розробили C. elegans Імовірнісна модель нейронного кодування.
Зведена в одне рівняння, модель пояснює, як кожен нейрон враховує різні фактори, щоб точно передбачити, чи нейронна активність відображає поведінку. Приблизно 60 відсотків нейронів у голові хробака вже відповідають принаймні за одну поведінку.
Підбираючи модель, дослідницька група використовувала підхід імовірнісного моделювання, який дозволив їм зрозуміти, наскільки вони впевнені в кожному відповідному параметрі моделі, підхід, який запровадив співавтор Вікаш Мансінгка, головний науковий співробітник, який очолює проект імовірнісних обчислень в MIT .
виготовлення атласу
Створюючи модель, яка могла б визначити, як будь-яка клітина мозку буде представляти та передбачати поведінку, команда спочатку збирала дані з нейронів, не відстежуючи специфічні особливості клітин. Але головна мета вивчення хробаків полягає в тому, щоб зрозуміти, як кожна клітина та схема впливає на поведінку.
Таким чином, щоб застосувати здатність моделі до кожного зі специфічних нейронів хробака, усі з яких були раніше нанесені на карту, наступним кроком команди було співвіднести нейронну активність і поведінку кожної клітини на карті.
Для цього потрібно назвати кожен нейрон унікальним кольором, щоб його діяльність могла бути пов’язана з його ідентичністю. Команда зробила це на десятках тварин, що вільно рухаються, надаючи їм інформацію про те, як майже всі специфічні нейрони в голові хробака пов’язані з поведінкою тварини.
Атлас, отриманий в результаті цієї роботи, відкрив багато ідей, повне відображення нейронних ланцюгів, які контролюють поведінку кожної тварини. Флавелл сказав, що ці нові відкриття дозволять більш повне розуміння того, як контролювати цю поведінку.
«Нам дозволяли складати кола», — сказав він. «Ми сподіваємося, що коли наші колеги вивчатимуть аспекти функціонування нейронних ланцюгів, вони зможуть звернутися до цього атласу, щоб отримати досить повне уявлення про ключові залучені нейрони».
Створено для гнучкості
Іншим ключовим результатом роботи команди стало відкриття, що хоча більшість нейронів завжди підкорялися прогнозам моделі, менша група нейронів у мозку хробака — близько 30 відсотків тих, які кодують поведінку — була здатна гнучко змінювати кодування своєї поведінки, переймаючи на себе функції.Принципово новий.
Нейрони в цій групі були достовірно схожими між тваринами та були добре пов’язані один з одним у синаптичній схемі хробака.
Теоретично ці події переналаштування можуть відбуватися з кількох причин, тому команда провела інші експерименти, щоб перевірити, чи можуть вони спричинити переналаштування нейронів. Коли хробаки звивалися навколо своїх пластин, дослідники застосували лазер, який нагрівав агар навколо голови хробака.
Тепло було нешкідливим, але його було достатньо, щоб на деякий час потурбувати черв’яків, що призвело до зміни поведінки тварини, яка тривала кілька хвилин. З цих записів команда змогла побачити, що багато нейронів повністю змінювали своє поведінкове кодування, коли тварини змінювали поведінкові стани.
«Інформація про поведінку широко виражена в мозку в багатьох різних формах — з чіткими настройками, часовими шкалами та рівнями пластичності — які відповідають певним класам нейронів у мозку. C. elegans нейронна мережа», – пишуть автори.
Окрім Атанаса, Кіма, Мансінки та Флавелла, іншими авторами статті є Сю Ван, Ерік Буено, Маккой Бейкер, Ді Кан, Чонґьон Пак, Талія Крамер, Флоссі Ван, Саба Паскелло, Угур Даг, Ілбенеке Калогеропулу, Метью Гомес , Кейсі Естрем і Ніта Коен.
Фінансування: Джерела фінансування досліджень включають Національні інститути здоров’я, Національний науковий фонд, Фонд Макнайта та Фонд Альфреда Б. Слоуна, Інституту навчання та пам’яті Беквера та Фонду JPB.
Про цю новину про картування мозку
автор: Девід Оренштейн
джерело: Інститут навчання та пам’яті Піккоера
спілкування: Девід Оренштейн – Інститут навчання та пам’яті Пікера
картина: Зображення надано Neuroscience News
Оригінальний пошук: Результати з’являться в клітина
“Професійний вирішувач проблем. Тонко чарівний любитель бекону. Геймер. Завзятий алкогольний ботанік. Музичний трейлер”
