Революция в невронауката: Първата пълна карта на мозъчните неврони на насекомо (видео)

Картата показва повече от половин милион невронни връзки в първия пълен конектом на дрозофилата и съдържа сведения за това кои мозъчни архитектури най-добре подпомагат ученето.

Ваня Милева Последна промяна на 14 март 2023 в 00:01 12618 0

Близо 5 000 среза съставляват новия конектом на мухата, който показва как сигналите преминават през мозъка.

Кредит Johns Hopkins University / University of Cambridge

Близо 5 000 среза съставляват новия конектом на мухата, който показва как сигналите преминават през мозъка.

Според анализа на първата пълна карта на свързването на организъм, публикувана в Science, мозъкът на ларвата плодова мушица се управлява от вериги за обратна връзка и многопластови пътища.

Картата на структурата на връзките в целия мозък, наречена конектом, проследява всички 3 016 неврона и 548 000 синапса в централната нервна система на 6-часова женска дрозофила (плодова муха) Drosophila melanogaster - от аксоните, които доставят сензорни данни до мозъка, до дендритите на невроните, които изпращат мозъчни сигнали за контрол на движението.

""Конектомът" поражда много хипотези", обяснява водещият изследовател Марта Златич (Marta Zlatic), ръководител на изследването в Лабораторията по молекулярна биология на MRC към Университета в Кеймбридж, Великобритания. "Той ни извежда от положението, в което бяхме на тъмно, предполагахме как се осъществяват невронните изчисления, а сега имаме структурни кандидати, които биха могли да бъдат осъществени."

Новата карта на свързването е четвъртата и най-сложна пълна карта на свързването, докладвана до момента: първите три - за нематода Caenorhabditis elegans, ларвата на асцидията Ciona intestinalis и морския червей Platynereis dumerilii - съдържат само по няколкостотин неврона.

Дори на ларвен стадий плодовите мушици имат по-сложно поведение от всички тези организми, отбелязва Шиня Ямамото (Shinya Yamamoto), доцент по молекулярна и човешка генетика и неврология в Медицинския колеж "Бейлър" в Хюстън, Тексас, който не е участвал в работата. Например те се движат към миризмата на храна и се отдалечават от светлината - действия, които изискват мозъчни структури, които могат да преобразуват сетивната информация в движение.

"Сега вече знаем с резолюция на една клетка как тези неща биха могли да работят всъщност", коментира Ямамото  новата карта. 

Изследователите са създавали по-големи, но непълни конектоми за по-сложни мозъци, включително карта на повече от 20 милиона връзки между 25 000 неврона при възрастна плодова муха.

Новата работа е "значителен принос" към опитите да се разберат основните принципи на обработката на информация в мозъка, заявява Джералд Рубин (Gerald Rubin), изпълнителен директор на Janelia Research Campus на Медицинския институт "Хауърд Хюз" в Ашбърн, Вирджиния. Рубин е ръководил работата по конектома на възрастните плодови мушици, но не е участвал в новото изследване.

"Тази статия поема това предизвикателство и представя някои интересни начини за разглеждането му", посочва Рубин. "Нито един от тях не е отговор на въпроса как работи мозъкът, но са различни начини да се изследва как може да работи."

Златич и колегите ѝ използват електронна микроскопия, за да изобразят близо 5000 ултратънки среза от мозъка на ларвата на мухата. След това ръчно проследяват местоположението и връзките на всеки неврон.

Пълен набор от неврони в мозъка на насекомо. Кредит: Johns Hopkins University / University of Cambridge

Сред синапсите 66,6 % са аксони, свързани с дендрити, 25,8 % са аксони, свързани със себе си, 5,8 % са дендрити, свързани със себе си, и 1,8 % са дендрити, свързани с аксони.

Клъстеризирането на невроните въз основа на видовете връзки, които те осъществяват, разкри 93 типа неврони. Невроните в рамките на всеки тип имат сходна физическа структура, според анализ, използващ независим алгоритмичен инструмент, което предполага, че невроните се различават най-вече по свързаност, а не по структура или функция, пояснява Златич.

По-малко от 15 % от невроните получават само един вид сензорен сигнал, установява екипът чрез алгоритъм, който използва броя на връзките между клетките, за да предвиди как сигналите преминават през мозъка. Допаминергичните неврони - които участват в обучението - получават входни данни от всички сетива.

Подредени изображения на мозъка, показващи свързването на невронитеПодредени изображения на мозъка, показващи свързването на невроните. За да картографират конектома, изследователите проследяват пътищата на отделни неврони - като двата, показани тук в червено и оранжево - през мозъчни срезове. Кредит: Johns Hopkins University / University of Cambridge

Пътят от сензорния вход на мозъка до моторния изход понякога е кратък само два синапса, но върху тези кратки пътища са наслоени по-дълги, обхващащи до осем връзки. Припокриването създава "вложена" структура, която вероятно дава на мозъка повече изчислителна мощ от по-малко неврони, обяснява изследователят Майкъл Уиндинг, постдокторант в лабораторията на Златич. "Никой от нас не очакваше това."

Въпреки че по-голямата част от информацията преминава от сетивния вход към моторния изход, сигналите се движат и в обратна посока, създавайки обратни връзки между мозъчните области. А отделни неврони изпращат сигнали назад и напред чрез двупосочни, или рекурентни, връзки, установяват изследователите.

Въпреки че 41% от всички неврони имат повтарящи се връзки, броят им варира в широки граници при различните видове неврони: Почти няма проекционни неврони или клетки на Кениън - вид неврони в центъра за учене на мухата - които да имат рекурентни връзки, докато 57% от допаминергичните неврони имат такива.

"Това наистина е много хубаво, защото знаем, че рекурентните невронни мрежи са доста мощни в изкуствения интелект", отбелязва Златич. Откритията разкриват "кои видове архитектури са най-добри за обучение".

Картата може да осигури стандарт, с който да се сравняват конектомите на ларви, които имат генетични мутации или нетипични условия на околната среда, като например социална изолация, обяснява Уиндинг. Създаването на картата отнема пет години, включително повече от година само за заснемане на мозъчните срезове.

Диаграма, изобразяваща свързаността, в която невроните са представени като точки, а невроните с по-близка свързаност са разположени по-близо един до друг. Линиите изобразяват връзките между невроните. На границата на фигурата са показани примерни морфологии на невроните. Кредит: University of Johns Hopkins/University of Cambridge

Новите електронни микроскопи могат да изобразят целия мозък на плодова мушица за седмици. Софтуерът може да проследява невроните за малка част от времето, което е необходимо на изследователите, за да го направят ръчно, посочва Уиндинг.

Това ще даде възможност на изследователите на аутизма да изучават по-целенасочено гените, свързани с това заболяване, обяснява Ямамото - особено защото много от гените са от съществено значение за функционирането на синапсите.

"Наличието на карта на синаптично ниво е необходимо, за да се разбере какво предизвикват мутациите на тези гени", отбелязва Ямамото.

Златич заявява, че планира да използва оптогенетиката за създаване на карти на активността на мозъка на ларвата, за да разбере как функционират връзките по време на различни поведения.

Справка: “The connectome of an insect brain” by Michael Winding, Benjamin D. Pedigo, Christopher L. Barnes, Heather G. Patsolic, Youngser Park, Tom Kazimiers, Akira Fushiki, Ingrid V. Andrade, Avinash Khandelwal, Javier Valdes-Aleman, Feng Li, Nadine Randel, Elizabeth Barsotti, Ana Correia, Richard D. Fetter, Volker Hartenstein, Carey E. Priebe, Joshua T. Vogelstein, Albert Cardona and Marta Zlatic, 10 March 2023, Science.
DOI: 10.1126/science.add9330

Източник: Wiring map reveals how larval fruit fly brain converts sensory signals to movement, LAURA DATTARO,  Spectrum

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !