Veľkosť mozgu ovocnej mušky je veľkosť maku a je ľahké ju prehliadnuť.

„Myslím, že väčšina ľudí si ani nemyslí, že tá mucha má mozog,“ povedal Vivek Jayaraman, neurológ z výskumného kampusu Janelia Research Campus Howarda Hughesa Medical Institute vo Virgínii. „Ale, samozrejme, muchy žijú veľmi bohatý život.“

Muchy sú schopné komplexného správania, vrátane navigácie v rôznych krajinách, Boj s konkurentmi Spievajúci potenciálni kamaráti. A ich mozgy bodovej veľkosti sú veľmi zložité, obsahujú asi 100 000 neurónov a Desiatky miliónov spojení či synapsií medzi nimi.

Od roku 2014 tím vedcov z Janelia spolupracuje s Výskumníci Google, zmapoval tieto neuróny a synapsie v snahe vytvoriť komplexnú schému zapojenia, tiež známu ako neurónová sieť, mozgu Drosophila.

Práca, ktorá je nepretržitá, je časovo náročná a nákladná, a to aj s pomocou moderných algoritmov strojového učenia. Doteraz zverejnené údaje sú však ohromujúce vo svojich detailoch a tvoria atlas desiatok tisíc ostnatých neurónov v mnohých kľúčových oblastiach mozgu muchy.

a teraz, V masívnom novom listeNeurovedci, publikovaní v utorok v časopise eLife, začínajú ukazovať, čo s tým dokážu.

Analýzou neurónovej siete iba malej časti mozgu muchy – centrálneho komplexu, ktorý hrá dôležitú úlohu pri navigácii – Dr. Gyaraman a kolegovia identifikovali desiatky nových typov neurónov a špecifických nervových obvodov, ktoré zrejme pomáhajú muchám cestu svetom. Práca by mohla nakoniec pomôcť poskytnúť pohľad na to, ako všetky druhy zvieracích mozgov, vrátane nášho, spracovávajú záplavu zmyslových informácií a premieňajú ich na vhodnú činnosť.

Je to tiež dôkaz princípu pre novú oblasť moderných nervových spojení, postavený na prísľube, že vytvorenie podrobných schém zapojenia mozgu prinesie vedecké úspechy.

„Je to naozaj nezvyčajné,“ povedal o novom článku doktor Clay Reed, vedúci výskumník z Allenovho inštitútu pre vedy o mozgu v Seattli. „Myslím, že každý, kto sa na to pozrie, by povedal, že synapsie sú nástroj, ktorý potrebujeme v neurovede – úplné zastavenie.“

„Tvoja myšlienková muška je uvarená“

Jediná úplná neurónová sieť v živočíšnej ríši patrí skromnému škrkavke C. elegans. Priekopnícky biológ Sidney Brenner, ktorý neskôr získal Nobelovu cenu, začal s projektom v 60. rokoch. Jeho malý tím na tom strávil roky a pomocou farebných ceruziek ručne obkresľoval všetkých 302 neurónov.

„Brenner si uvedomil, že ak chcete pochopiť nervový systém, musíte poznať jeho štruktúru,“ povedal Scott Emmons, neurológ a genetik z Albert Einstein College of Medicine. Vytvorte novú neurónovú sieť C. elegans. To platí v celej biológii. Štruktúra je veľmi dôležitá.“

Brenner a kol ich historické noviny, ktorý bol zaznamenaný na 340 stranách, v roku 1986.

Oblasť moderných neurónových spojení sa však rozbehla až po roku 2000, keď pokroky v zobrazovaní a výpočtovej technike konečne umožnili identifikovať spojenia vo väčších mozgoch. V posledných rokoch výskumné tímy po celom svete začali dávať dokopy neurónové siete zebričiek, spevavcov, myší, ľudí a ďalších.

Keď sa Janelia Research Campus otvoril v roku 2006, Gerald Rubin, jeho zakladajúci riaditeľ, sa zameral na ovocnú mušku. „Nechcem uraziť žiadneho z mojich červov, ale myslím si, že muchy sú najjednoduchší mozog, ktorý skutočne robí zaujímavé a zložité správanie,“ povedal Dr. Rubin.

Niekoľko rôznych tímov v spoločnosti Janelia sa v nasledujúcich rokoch pustilo do projektov leteckej komunikačnej siete, ale práca, ktorá viedla k novému dokumentu, sa začala v roku 2014, Mozog päťdňovej samičky ovocnej mušky.

Vedci rozrezali mozog muchy na platne a potom použili techniku ​​​​známu ako skenovacia elektrónová mikroskopia so zaostreným iónovým lúčom na ich zobrazenie vrstvu po vrstve. Mikroskop v podstate fungoval ako veľmi malý a veľmi presný pilník na nechty, ktorý odstránil veľmi tenkú vrstvu mozgu, odfotil obnažené tkanivo a potom proces opakoval, až kým nezostalo nič.

„Súčasne zobrazujete a režete malé časti mozgu muchy, takže po dokončení tam už nie sú,“ povedal Dr. Jayaraman. „Takže ak sa ti niečo pokazí, skončíš. Hus je uvarená – alebo tvoj muší mozog je uvarený.“

Tím potom použil softvér počítačového videnia na spojenie miliónov výsledných obrázkov do jedného 3D priečinka a ich odoslanie spoločnosti Google. Tam výskumníci použili pokročilé algoritmy strojového učenia na identifikáciu každého jednotlivého neurónu a sledovanie jeho krútiacich sa vetiev.

Nakoniec tím Janelie použil ďalšie výpočtové nástroje na identifikáciu synapsií a ľudskí výskumníci preskúmali prácu počítačov, opravili chyby a zrevidovali schémy zapojenia.

Minulý rok výskumníci šírenie neurónovej siete NS čo nazývali „hemimozog“, Veľká časť mozgu centrálnej muchy, ktorá zahŕňa oblasti a štruktúry nevyhnutné pre spánok, učenie a navigáciu.

Nervový systém, ktorý je voľne dostupný online, zahŕňa asi 25 000 neurónov a 20 miliónov synapsií, čo je oveľa väčší počet ako C. elegans.

„Ide o masívny nárast,“ povedal Corey Bargman, neurológ z The Rockefeller University v New Yorku. „Toto je obrovský krok smerom k cieľu pracovať na prepojení mozgu.“

Vitajte v sprievodcovi

Akonáhle bola mozgová neurónová sieť pripravená, Dr. Gyaraman, odborník na neurovedu v navigácii múch, sa horlivo ponoril do údajov v centrálnom bazéne.

Oblasť mozgu, ktorá obsahuje približne 3 000 neurónov a nachádza sa vo všetkých druhoch hmyzu, pomáha muchám vybudovať si vnútorný model ich priestorového vzťahu k svetu a potom si vybrať a implementovať správanie vhodné pre ich okolnosti, ako napríklad hľadanie potravy, keď sú hladné.

„Chceš mi povedať, že mi môžeš dať schému zapojenia pre niečo také?“ Povedal Dr. Jayaraman. „Toto je lepšia priemyselná špionáž, ako môžete získať pohľadom na Apple iPhone.“

On a jeho kolegovia sa pozerali cez dáta neurónovej siete a študovali, ako sú neurónové okruhy v regióne zoskupené.

Napríklad Hannah Haberkernová, postdoktorandka v laboratóriu Dr. Jayaramana, analyzovala neuróny, ktoré posielajú senzorické informácie do elipsoidu, kruhovej štruktúry v tvare koláča, ktorá funguje ako Vnútorný muškársky kompas.

Doktor Haberkern zistil, že neuróny, o ktorých je známe, že prenášajú informácie o polarizácii svetla – univerzálny ekologický sprievodca, ktorý mnohé zvieratá používajú na navigáciu – vytvorili viac spojení s neurónmi kompasu ako s neurónmi, ktoré prenášajú informácie o iných bunkách. Vizuálne orientačné body a orientačné body.

Neuróny určené na polarizáciu svetla sa tiež pripájajú k mozgovým bunkám, ktoré poskytujú informácie o iných navigačných signáloch – a sú schopné ich výrazne inhibovať.

Výskumníci predpokladajú, že mozgy mušiek môžu byť zapojené tak, aby uprednostňovali informácie o globálnom prostredí na cestách – ale tiež, že tieto okruhy sú flexibilné, takže keď tieto informácie nie sú dostatočné, môžu venovať väčšiu pozornosť miestnym prvkom krajiny. „Majú všetky tieto záložné stratégie,“ povedal doktor Haberkern.

Domáci telefón s ovocnou muškou

Ďalší členovia výskumného tímu identifikovali špecifické nervové dráhy, ktoré sa zdajú byť vhodné na to, aby pomohli muche sledovať smer jej hlavy a tela, predpovedať jej budúci smer a smer pohybu, vypočítať jej aktuálny smer vzhľadom na iné požadované miesto a potom sa pohybovať. v tom smere.

Predstavte si napríklad, že hladná mucha sa dočasne vzdala hnijúceho banánu, aby zistila, či by mohla zašušťať niečo lepšie. Ale po niekoľkých minútach bezvýsledného skúmania (doslova) sa chce vrátiť k predchádzajúcemu jedlu.

Údaje o neurónovej sieti naznačujú, že určité mozgové bunky, technicky známe ako neuróny PFL3, pomáhajú muche tento manéver zvládnuť. Tieto neuróny dostávajú dva dôležité vstupy: dostávajú signály od neurónov, ktoré sledujú smer, ktorým mucha čelí, a tiež od neurónov, ktoré môžu sledovať smer banánu.

Po prijatí týchto signálov neuróny PFL3 pošlú svoju vlastnú správu skupine neurónov, ktorá podnieti muchu, aby sa otočila správnym smerom. Opäť sa podáva večera.

„Schopnosť sledovať túto aktivitu cez tento okruh – od zmyslov až po motor cez tento zložitý medziobvod – je skutočne úžasná,“ povedal Brad Hulse, vedecký pracovník v laboratóriu Dr. Jayaramana, ktorý viedol túto časť analýzy. Neurónová sieť, dodal, „nám ukázala oveľa viac, ako sme si mysleli, že sa stane.“

Zberný papier – ktorý obsahuje návrh 75 obrázkov a má 360 strán – je len začiatok.

„Naozaj ponúka tento kľúčový fakt na ďalšie skúmanie tejto oblasti mozgu,“ povedal Stanley Heinz, odborník na neurovedu hmyzu z Lundskej univerzity vo Švédsku. „Je to veľmi pôsobivé.“

A jednoducho impozantné. „Nebral by som to ako výskumnú prácu, ale skôr ako knihu,“ povedal Dr. Heinz.

V skutočnosti je papier taký veľký, že predtlačový server bioRxiv Najprv to odmietli zverejniť, zrejme preto, že si to úradníci – z pochopiteľných dôvodov – mysleli naozaj kniha, povedal doktor Jayaraman. (Server nakoniec uviedol, že štúdia bola zverejnená po niekoľkých dňoch spracovania navyše.)

Dr Jayaraman dodal, že publikovanie článku v eLife „vyžaduje určité špeciálne povolenia a komunikáciu s redakčnou radou“.

Lekcie lietania

Existujú obmedzenia toho, čo môže snímka jedného mozgu odhaliť v jedinom časovom okamihu, a neurónové siete nezachytia všetko zaujímavé v mozgu zvieraťa. (Napríklad Janeliina neurónová sieť vynecháva gliové bunky, ktoré vykonávajú všetky druhy dôležitých úloh v mozgu.)

Dr. Jayaraman a jeho kolegovia tvrdili, že by neboli schopní veľa vyvodiť z neurónovej siete, ak by to nebolo po desaťročia predchádzajúceho výskumu mnohých iných vedcov o správaní sa ovocných mušiek a základnej nervovej fyziológii a funkcii, ako aj o teoretickej neurovede. práca.

Ale schémy zapojenia môžu pomôcť výskumníkom preskúmať existujúce teórie a vytvoriť lepšie hypotézy, rozhodnúť sa, aké otázky položiť a aké experimenty vykonať.

„Teraz sme naozaj nadšení, že vezmeme tie nápady, ktoré boli inšpirované neurónovou sieťou a vrátime sa k mikroskopu, vrátime sa späť k našim elektródam a skutočne zaznamenáme mozog a uvidíme, či sú tieto myšlienky pravdivé,“ povedal Dr. Hulse. .

Samozrejme, niekto by mohol – a niektorí sa divili – prečo sú obvody mozgu Drosophila také dôležité.

„Často sa ma na to pýtajú počas sviatkov,“ povedal Dr. Hulse.

Muchy nie sú myši, šimpanzy alebo ľudia, ale ich mozgy vykonávajú niektoré z rovnakých základných úloh.. Pochopenie základných nervových obvodov u hmyzu by mohlo poskytnúť dôležité informácie o tom, ako sa mozgy iných zvierat vyrovnávajú s podobnými problémami, povedal David Van Essen, neurológ z Washingtonskej univerzity v St.

Získanie hlbokého pochopenia mozgu múch, povedal, „nám tiež poskytuje poznatky, ktoré sú veľmi dôležité pre pochopenie cicavčích a dokonca aj ľudských mozgov a ich správania.“

Vytváranie sietí pre väčšie a zložitejšie mozgy bude veľmi náročné. Myší mozog obsahuje približne 70 miliónov neurónov, kým ľudský mozog má objem 86 miliárd.

Ale komplexný centrálny list určite nie je sám; V súčasnosti sa pripravujú podrobné štúdie regionálnych myších a ľudských neurónových sietí, Dr. Reed povedal: „Je toho ešte oveľa viac.“

Redaktori magazínu, považujte sa za varovanie.