Чому вчені витрачали роки на картування мозку цієї істоти?

Розмір мозку плодової мушки розміром з макове зерно, і його легко не помітити.

«Я думаю, що більшість людей навіть не думають, що у мухи є мозок», — сказав Вівек Джаяраман, нейробіолог із дослідницького кампусу Джанелії Медичного інституту Говарда Хьюза у Вірджинії. «Але, звичайно, мухи живуть дуже багатим життям».

Мухи здатні до складної поведінки, включаючи навігацію по різноманітним ландшафтам, Боротьба з конкурентами Спів потенційних партнерів. А їхній мозок розміром з пляму дуже складний, містить близько 100 000 нейронів і Між ними десятки мільйонів зв’язків або синапсів.

З 2014 року команда вчених Janelia співпрацює з Дослідники Google, картографував ці нейрони та синапси, намагаючись створити повну схему підключення, також відому як нейронна мережа, мозку дрозофіли.

Робота, яка є безперервною, трудомістка і дорога, навіть за допомогою сучасних алгоритмів машинного навчання. Але дані, опубліковані на даний момент, вражають своїми деталями, формуючи атлас із десятків тисяч колючих нейронів у багатьох важливих областях мозку мухи.

а зараз, У масивному новому листіНейробиологи, опубліковані у вівторок в журналі eLife, починають показувати, що вони можуть з цим зробити.

Аналізуючи нейронну мережу лише невеликої частини мозку мухи – центрального комплексу, який відіграє важливу роль у навігації – доктор Гьяраман та його колеги виявили десятки нових типів нейронів і специфічних нейронних ланцюгів, які, здається, допомагають мухам створювати свої шлях через світ. Зрештою, ця робота може допомогти зрозуміти, як усі види мозку тварин, включно з нами, обробляють потік сенсорної інформації та перетворюють її на відповідні дії.

Це також доказ принципу для нової галузі сучасних нейронних зв’язків, заснованої на обіцянці, що створення детальних схем зв’язку мозку принесе наукові досягнення.

«Це справді незвичайно», – сказав про нову роботу доктор Клей Рід, старший науковий співробітник Інституту наук про мозок Аллена в Сіетлі. “Я думаю, що кожен, хто дивиться на це, скаже, що синапси – це інструмент, який нам потрібен в нейронауці, – повна зупинка”.

«Твоя муха розуму зварена»

Єдина повна нейронна мережа в царстві тварин належить скромному круглому хробаку C. elegans. Піонер-біолог Сідні Бреннер, який пізніше отримав Нобелівську премію, розпочав проект у 1960-х роках. Його невелика команда витратила на це роки, використовуючи кольорові олівці, щоб простежити всі 302 нейрони вручну.

«Бреннер зрозумів, що для розуміння нервової системи потрібно знати її структуру», — сказав Скотт Еммонс, нейробіолог і генетик з Медичного коледжу Альберта Ейнштейна. Створіть нову нейронну мережу C. elegans. Це справедливо в усій біології. Структура дуже важлива».

Бреннер та ін їхню історичну роботу, який був записаний на 340 сторінках, у 1986 році.

Але сфера сучасних нейронних зв’язків почала розвиватися лише в 2000-х роках, коли досягнення в області візуалізації та обчислювальної техніки нарешті зробили можливим ідентифікувати зв’язки в більшому мозку. В останні роки дослідницькі групи з усього світу почали об’єднувати нейронні мережі риб данио, співочих птахів, мишей, людей тощо.

Коли в 2006 році відкрився дослідницький кампус Janelia, Джеральд Рубін, його засновник, зосередився на плодовій мухі. «Я не хочу образити нікого зі своїх побратимів-хробаків, але я думаю, що мухи — це найпростіший мозок, який насправді робить цікаву і складну поведінку», — сказав доктор Рубін.

Кілька різних команд у Janelia приступили до проектів авіаційної мережі зв’язку в наступні роки, але робота, яка призвела до нової статті, почалася у 2014 році з Мозок п’ятиденної самки плодової мухи.

Дослідники розрізали мозок мухи на пластини, а потім використали техніку, відому як скануюча електронна мікроскопія з фокусованим іонним променем, щоб відобразити їх шар за шаром. Мікроскоп по суті працював як дуже маленька і дуже точна пилка для нігтів, видаляючи дуже тонкий шар мозку, фотографуючи відкриту тканину, а потім повторював процес, поки нічого не залишилося.

«Ви одночасно створюєте зображення та вирізуєте маленькі сегменти мозку мухи, тому після того, як ви закінчите, їх немає», – сказав доктор Джаяраман. “Тож якщо ви щось помилите, ви закінчите. Гусак зварений – або ваш мозок мухи зварений”.

Потім команда використовувала програмне забезпечення комп’ютерного зору, щоб об’єднати мільйони отриманих зображень в одну 3D папку та надіслати їх у Google. Там дослідники використовували передові алгоритми машинного навчання, щоб ідентифікувати кожен окремий нейрон і відстежити його скручування гілок.

Нарешті, команда Джанелії використала додаткові обчислювальні інструменти для визначення синапсів, а люди-дослідники переглянули роботу комп’ютерів, виправили помилки та переглянули схеми підключення.

Минулого року дослідники розповсюдження нейронної мережі NS те, що вони називали “гемімозком”, Велика частина головного мозку центральної мухи, яка включає області та структури, необхідні для сну, навчання та навігації.

Нервова система, яка є у вільному доступі в Інтернеті, включає близько 25 000 нейронів і 20 мільйонів синапсів, що набагато більше, ніж C. elegans.

“Це величезне зростання”, – сказав Корі Баргман, нейробіолог з Університету Рокфеллера в Нью-Йорку. «Це величезний крок до мети роботи над зв’язністю мозку».

Ласкаво просимо до гіда

Коли нейронна мережа мозку була готова, доктор Гьяраман, експерт з нейронауки навігації мухами, захотів зануритися в дані центрального басейну.

Ділянка мозку, яка містить приблизно 3000 нейронів і зустрічається у всіх комах, допомагає мухам будувати внутрішню модель свого просторового відношення до світу, а потім вибирати та реалізовувати поведінку, відповідну їхнім обставинам, наприклад, шукати їжу, коли вони голодні.

— Ти хочеш сказати, що можеш дати мені схему підключення для чогось подібного? — сказав доктор Джаяраман. «Це краще промислове шпигунство, ніж ви можете отримати, дізнавшись про Apple iPhone».

Він та його колеги переглядали дані нейронної мережі, вивчаючи, як нейронні ланцюги в регіоні були згруповані разом.

Наприклад, Ханна Хаберкерн, докторант в лабораторії доктора Джаярамана, проаналізувала нейрони, які посилають сенсорну інформацію до еліпсоїда, круглої структури у формі торта, яка діє як Компас для польотів в приміщенні.

Доктор Хаберкерн виявив, що нейрони, як відомо, передають інформацію про поляризацію світла – універсальний екологічний посібник, який багато тварин використовують для навігації – створили більше зв’язків з нейронами компаса, ніж з нейронами, які передають інформацію про інші клітини. Візуальні орієнтири та орієнтири.

Нейрони, що займаються поляризацією світла, також підключаються до клітин мозку, які надають інформацію про інші навігаційні сигнали – і здатні серйозно їх пригнічувати.

Дослідники припускають, що мозок мух може бути налаштований на пріоритет інформації про глобальне середовище на ходу, але також що ці схеми є гнучкими, тому, коли цієї інформації недостатньо, вони можуть приділяти більше уваги місцевим особливостям ландшафту. «У них є всі ці резервні стратегії», – сказав доктор Хаберкерн.

Домашній телефон фруктової мушки

Інші члени дослідницької групи визначили специфічні нейронні шляхи, які, здається, добре підходять для допомоги мухі відстежувати напрямок її голови та тіла, передбачати її майбутній напрямок і напрямок руху, обчислювати поточний напрямок відносно іншого бажаного місця, а потім рухатися. в цьому напрямку.

Уявіть собі, наприклад, що голодна муха тимчасово відмовилася від гнилого банана, щоб побачити, чи зможе вона махнути щось краще. Але після кількох хвилин безплідних досліджень (буквально) вона хоче повернутися до попередньої їжі.

Дані нейронної мережі свідчать про те, що певні клітини мозку, відомі технічно як нейрони PFL3, допомагають мухі здійснити цей маневр. Ці нейрони отримують два важливих вхідні дані: вони отримують сигнали від нейронів, які слідують напрямку мухи, а також від нейронів, які можуть контролювати напрямок банана.

Отримавши ці сигнали, нейрони PFL3 надсилають власне повідомлення групі нейронів, які спонукають муху повернути в правильному напрямку. Знову подають вечерю.

«Здатність простежити цю активність через цей ланцюг — від органів почуттів до двигуна через цей складний проміжний контур — справді дивовижна», — сказав Бред Халс, науковець з лабораторії доктора Джаярамана, який керував цією частиною аналізу. Нейронна мережа, додав він, «показала нам набагато більше, ніж ми думали, що станеться».

Збірник, який включає чернетку з 75 фігур і охоплює 360 сторінок, – це лише початок.

«Цей ключовий факт є для подальшого вивчення цієї області мозку», — сказав Стенлі Хайнц, експерт з нейронауки про комах з Лундського університету в Швеції. «Це дуже вражає».

І просто грізний. «Я б не розглядав це як дослідницьку роботу, а радше як книгу», — сказав доктор Хайнц.

Насправді папір настільки великий, що сервер додрукарської підготовки bioRxiv Спершу відмовлялися публікувати, мабуть, тому, що чиновники – зі зрозумілих причин – вважали, що це дійсно так книги, сказав доктор Джаяраман. (Зрештою сервер вказав, що дослідження опубліковано після кількох додаткових днів обробки.)

Доктор Джаяраман додав, що публікація статті в eLife «потребує деяких спеціальних дозволів і спілкування з редакцією».

Уроки польотів

Існують обмеження щодо того, що може виявити знімок окремого мозку в певний момент часу, а нейронні мережі не вловлюють все цікаве в мозку тварини. (Наприклад, нейронна мережа Жанелії не містить гліальних клітин, які виконують усі види важливих завдань у мозку.)

Доктор Джаяраман та його колеги стверджували, що вони не змогли б зробити багато висновків з нейронної мережі, якби не десятиліття попередніх досліджень, проведених багатьма іншими вченими, щодо поведінки плодових мух і базової фізіології та функцій нервової системи, а також теоретичної нейронауки. працювати.

Але схеми підключення можуть допомогти дослідникам дослідити існуючі теорії та сформувати кращі гіпотези, вирішуючи, які питання поставити та які експерименти провести.

«Тепер ми дуже раді, що беремо ті ідеї, які були натхненні нейронною мережею, і повертаємося до мікроскопа, повертаємося до наших електродів і фактично записуємо мозок і перевіряємо, чи ці ідеї правдиві», — сказав доктор Халс. .

Звичайно, можна було б — і дехто дивувався — чому ланцюги мозку дрозофіли такі важливі.

«Мене часто запитують про це на святах», — сказав доктор Халс.

Мухи — це не миші, шимпанзе чи люди, але їхній мозок виконує ті самі основні завдання.. Розуміння основних нейронних ланцюгів комах може дати важливі підказки щодо того, як мозок інших тварин справляється з подібними проблемами, сказав Девід Ван Ессен, нейробіолог з Вашингтонського університету в Сент-Луїсі.

Отримавши глибоке розуміння мозку мух, він сказав, «також дає нам уявлення, дуже важливі для розуміння мозку ссавців і навіть людей та їхньої поведінки».

Створення мереж для більших і складніших мізків буде дуже складним завданням. Мозок миші містить приблизно 70 мільйонів нейронів, тоді як мозок людини має об’єм 86 мільярдів.

Але складний центральний листок, безумовно, не єдиний; На даний момент детальні дослідження регіональних нейронних мереж миші та людини знаходяться в стадії розробки, сказав доктор Рід: «Попереду ще багато чого».

Редактори журналів, вважайте себе застереженням.