zhrnutie: Vedcom sa podarilo zmapovať nervovú aktivitu červa C. elegans a spojiť ju s jeho správaním, ako je pohyb a kŕmenie.

Pomocou nových techník a metodológií vyvinuli komplexný atlas, ktorý ukazuje, ako väčšina neurónov červa kóduje jeho rôzne akcie.

Táto štúdia poskytuje komplexný pohľad na to, ako nervový systém zvieraťa riadi správanie. Zistenia, údaje a modely tímu sú dostupné na WormWideWeb.

Kľúčové fakty:

1. Štúdia použila nový mikroskop a softvérový systém, ktorý sleduje takmer celé správanie červa a aktivitu každého neurónu v jeho hlave.
2. Výskum odhalil, že neuróny kódujú súčasné a minulé správanie, čo umožňuje červovi pochopiť, ako jeho minulé činy ovplyvnili jeho súčasnú situáciu.
3. Dôležitým objavom bolo, že 30 % neurónov, ktoré kódujú správanie, dokáže prekonfigurovať svoje kódovanie správania a prispôsobiť svoje funkcie na základe meniacich sa podmienok.

zdroj: Piccoerov inštitút pre učenie a pamäť

Aby vedci úplne pochopili vzťah medzi mozgovou aktivitou a správaním, potrebovali spôsob, ako zmapovať tento vzťah na všetky neuróny v celom mozgu – čo je zatiaľ neprekonateľná výzva.

Po vynájdení nových techník a metód na to však tím vedcov z Picowerovho inštitútu MIT pre učenie a pamäť vytvoril presný výpočet neurónov v mozgu skromného človeka. C. elegans Červ, ktorý ukazuje, ako jeho mozgové bunky kódujú takmer všetky jeho základné správanie, ako je pohyb a kŕmenie.

v denníku bunka, Tím predstavuje nové nahrávky na úrovni mozgu a matematický model, ktorý presne predpovedá rôzne spôsoby, akými neuróny reprezentujú správanie červa.

Aplikovaním tohto modelu na každú bunku špecificky tím vytvoril atlas toho, ako väčšina buniek kóduje a obvody, do ktorých sú zapojené činnosti zvieraťa. Atlas preto odhaľuje „logiku“ toho, ako môže mozog červa produkovať vyvíjajúci sa a flexibilný repertoár správania, aj keď sa jeho podmienky prostredia menia.

„Táto štúdia poskytuje globálnu mapu toho, ako je nervový systém zvieraťa regulovaný tak, aby kontroloval správanie,“ povedal hlavný autor Stephen Flavell, docent na oddelení mozgových a kognitívnych vied MIT.

„Ukazuje, koľko špecifických ganglií, ktoré tvoria nervový systém zvieraťa, kóduje jemné behaviorálne črty a ako to závisí od faktorov, ako sú nedávne skúsenosti zvieraťa a aktuálny stav.“

Hlavnými autormi štúdie sú postgraduálni študenti Jungsoo Kim a Adam Atanas, z ktorých každý na jar získal doktorát za výskum. Všetky svoje údaje, výsledky modelov a atlas tiež voľne sprístupnili kolegom výskumníkom na webovej stránke s názvom WormWideWeb.

mikroskopy pre modely

Na vykonanie meraní potrebných na vývoj ich modelu Flavellovo laboratórium vynašlo nový mikroskop a softvérový systém, ktorý automaticky sleduje takmer celé správanie červa (pohyb, kŕmenie, spánok, znášanie vajíčok atď.) a aktivitu každého neurónu v ňom. . Hlava (bunky sú navrhnuté tak, aby blikali, keď sa hromadia ióny vápnika).

Rozlíšenie jednotlivých neurónov a ich spoľahlivé sledovanie, keď sa červ krúti a ohýba, si vyžadovalo napísanie vlastného softvéru pomocou najnovších nástrojov strojového učenia. Ukázalo sa, že je 99,7 percent presné pri vzorkovaní aktivít jednotlivých neurónov s výrazným zlepšením pomeru signálu k šumu v porovnaní s predchádzajúcimi systémami, uvádzajú vedci.

Tím použil systém na zaznamenávanie synchronizovaného správania a nervových údajov od viac ako 60 červov, keď chodili okolo svojho riadu a robili, čo chceli.

Analýza údajov odhalila tri nové pozorovania o nervovej aktivite červa: Neuróny sledujú správanie nielen v súčasnosti, ale aj v nedávnej minulosti. Upravujú svoje kódovanie správania, ako je pohyb, na základe prekvapivo rozmanitých faktorov; A mnoho neurónov súčasne kóduje mnoho správaní.

Napríklad, zatiaľ čo správanie sa krútiť sa okolo malej laboratórnej misky sa môže zdať ako veľmi jednoduchý čin, neuróny zodpovedajú za faktory, ako je rýchlosť, orientácia a či červ je alebo nie. V niektorých prípadoch predstavovali pohyb zvieraťa trvajúci asi minútu.

Zakódovaním nedávneho pohybu, nielen súčasného pohybu, môžu tieto neuróny pomôcť červovi vypočítať, ako jeho minulé akcie ovplyvňujú jeho súčasné výsledky. Mnoho neurónov tiež kombinuje informácie o správaní na vykonávanie zložitejších manévrov.

Rovnako ako ľudský vodič musí pamätať na to, že má riadiť auto vzad, keď ide dozadu alebo dopredu, niektoré neuróny v mozgu červa integrovali smer pohybu zvieraťa a smer riadenia.

Vedci vyvinuli starostlivú analýzu týchto druhov vzorcov toho, ako nervová aktivita súvisí so správaním C. elegans Pravdepodobný model neurálneho kódovania.

Model zapuzdrený v jedinej rovnici vysvetľuje, ako každý neurón zodpovedá za rôzne faktory, aby presne predpovedal, či a ako nervová aktivita odráža správanie. Približne 60 percent neurónov v hlave červa je už zodpovedných za aspoň jedno správanie.

Pri zostavovaní modelu výskumný tím použil prístup pravdepodobnostného modelovania, ktorý im umožnil pochopiť, ako si boli istý každým vhodným parametrom modelu, čo je prístup, ktorý propagoval spoluautor Vikash Mansingka, hlavný vedecký pracovník, ktorý vedie projekt pravdepodobnosti výpočtovej techniky na MIT. .

tvorba atlasu

Pri vytváraní modelu, ktorý by mohol určiť, ako bude každá mozgová bunka reprezentovať a predpovedať správanie, tím spočiatku zbieral údaje z neurónov bez toho, aby sledoval špecifické identity buniek. Ale hlavným cieľom štúdia červov je pochopiť, ako každá bunka a obvod prispievajú k správaniu.

Aby sa schopnosť modelu aplikovala na každý špecifický neurón červa, z ktorých všetky boli predtým zmapované, ďalším krokom tímu bolo korelovať nervovú aktivitu a správanie pre každú bunku na mape.

Vyžaduje si to pomenovanie každého neurónu jedinečnou farbou, aby sa jeho aktivita dala prepojiť s jeho identitou. Tím to urobil na desiatkach voľne sa pohybujúcich zvierat a poskytol im informácie o tom, ako takmer všetky špecifické neuróny v hlave červa súvisia so správaním zvieraťa.

Atlas, ktorý je výsledkom tejto práce, odhalil mnohé poznatky, kompletné zmapovanie nervových obvodov, ktoré kontrolujú správanie každého zvieraťa. Flavell povedal, že tieto nové zistenia umožnia komplexnejšie pochopenie toho, ako kontrolovať toto správanie.

„Dovolili nám dokončiť kruhy,“ povedal. „Dúfame, že keď naši kolegovia študujú aspekty funkcie neurónových obvodov, môžu sa odvolať na tento atlas, aby získali celkom úplný prehľad o kľúčových neurónoch, ktoré sa podieľajú.“

Navrhnuté pre flexibilitu

Ďalším kľúčovým výsledkom práce tímu bolo zistenie, že zatiaľ čo väčšina neurónov vždy poslúchla predpovede modelu, menšia skupina neurónov v mozgu červa – asi 30 percent z tých, ktoré kódujú správanie – bola schopná flexibilne premapovať svoje kódovanie správania a prevziať kontrolu nad funkcie.V podstate nové.

Neuróny v tejto skupine boli medzi zvieratami spoľahlivo podobné a v schéme synaptického zapojenia červa boli navzájom dobre spojené.

Teoreticky by k týmto udalostiam premapovania mohlo dôjsť z mnohých dôvodov, takže tím vykonal ďalšie experimenty, aby zistil, či môžu spôsobiť premapovanie neurónov. Keď sa červy krútili okolo svojich tanierov, výskumníci aplikovali laserový prístroj, ktorý zahrieval agar okolo hlavy červa.

Teplo bolo neškodné, ale stačilo na to, aby na chvíľu vyrušilo červy, čo malo za následok zmenu v správaní zvieraťa, ktorá trvala niekoľko minút. Z týchto záznamov bol tím schopný vidieť, že veľa neurónov úplne prekonfigurovalo svoje kódovanie správania, keď zvieratá zmenili stavy správania.

„Informácie o správaní sú bohato vyjadrené v mozgu v mnohých rôznych formách – s odlišným ladením, časovými mierkami a úrovňami plasticity – ktoré zodpovedajú špecifickým triedam neurónov v mozgu.“ C. elegans neurónová sieť,“ napísali autori.

Okrem Atanas, Kim, Mansingka a Flavell sú ďalšími autormi článku Xu Wang, Eric Bueno, McCoy Baker, Dee Kang, Jeongyeon Park, Talia Kramer, Flossy Wan, Saba Pasquello, Ugur Dag, Ilbeneke Kalogeropoulou, Matthew Gomez , Casey Estrem a Nita Cohen.

Financovanie: Medzi zdroje financovania výskumu patria National Institutes of Health, National Science Foundation, McKnight Foundation a Alfred B. Sloan a Bequewer Institute for Learning and Memory a JPB Foundation.

O tejto novinke o mapovaní mozgu

autor: David Orenstein
zdroj: Piccoerov inštitút pre učenie a pamäť
komunikácia: David Orenstein – Picquerov inštitút pre učenie a pamäť
obrázok: Obrázok pripísaný Neuroscience News

Pôvodné vyhľadávanie: Výsledky sa zobrazia v bunka