Карта показва всичките 54,5 милиона връзки в мозъка на дрозофила (видео)

Новият конектом показва как тече информацията

Ваня Милева Последна промяна на 04 октомври 2024 в 00:00 2032 0

Мозъкът на плодовата муха съдържа розови, лилави, червени, зелени и сини клетки, които изпращат тънки цветни нишки около мозъка. Цветният мозък е изобразен на черен фон.

Кредит Tyler Sloan and Amy Sterling for FlyWire, Princeton University, (Dorkenwald et al/Nature, 2024)

Нова карта на пълния мозък на дрозофила разкрива 50-те най-големи неврона. Тези гиганти и техните тънки клетъчни проекции са с различен цвят.

В мозъка на една-единствена плодова мушица нервните клетки се сплитат, позволявайки полет, чифтосване, хранене, сън и всяка друга дейност от живота на мухата. Сега, в девет статии, публикувани наскоро в Nature, учените представят първата пълна карта на нервните й клетки - всички 139 255, за да сме точни - и техните 54,5 милиона връзки.

Създателите му са част от консорциум, наречен FlyWire.

Тази карта на целия мозък, проследявана в продължение на години с педантична прецизност, е малка, но изящна: Тя съдържа 149,2 метра невронни проводници, подредени в мозък с размерите на маково семе. Като такава, тази карта показва как невронната информация може да преминава между клетките на Drosophila melanogaster - животно, което е по-просто от човека, но достатъчно сложно, за да остане загадъчно за хората, които се опитват да разберат мозъка му.

Още през 2005 г. невробиологът Олаф Спорнс (Olaf Sporns) от Университета на Индиана в Блумингтън и колегите му въвеждат термина "конектом" - отчитане на връзките между нервните клетки или невроните.

За близо 20 години оттогава учените са картографирали повече конектоми, включително тези на мъжки и хермафродитни червеи C. elegans, ларва на плодова муха, малки части от мозъци на мишки и хора и част от мозъка на възрастна плодова муха. Този последен конектом на плодовата муха е най-големият по рода си.

Дигитални реконструкции на сини, розови и лилави клетки изграждат мозъка на плодова мушица, който е на бял фон.Тези наскоро картографирани 139 255 нервни клетки и техните милиони връзки позволяват на женска плодова мушица да избягва хищници, да усеща миризмата на храната, да си намира партньор и да лети. След като разполагат с тази нова карта, учените искат да разберат как мозъкът успява да направи всичко това. Кредит: Tyler Sloan for FlyWire, Princeton University, (Dorkenwald et al/Nature, 2024)

"Когато конектомиката започна да се развива, създаването на карта като представената в тази работа изглеждаше почти като научна фантастика", отбелязва невробиологът Олаф Спорнс (Olaf Sporns) от Университета на Индиана в Блумингтън. "И сега, невероятно, тя вече е тук."

Проектът включва снимки от електронна микроскопия на повече от 7000 тънки среза от мозъка на женска плодова мушица и машинно обучение, което подрежда сложните плетеници от неврони, проследявайки клетките през различните срезове. Благодарение на машинното обучение изследователите се доближават до целия конектом. "Но все още се изисква човек да коригира грешките", обяснява Свен Доркенвалд (Sven Dorkenwald), компютърен невролог, работил по проекта в Принстънския университет, който сега работи в Института за мозъчни науки "Алън" и Вашингтонския университет в Сиатъл. Стотици хора от повече от 50 лаборатории коригират картата с човешки очи, като се уверяват, че формите на клетките са такива, каквито изглеждат. Това е огромна по обем работа - от началото до края.

"Мислехме ли, че ще е необходимо толкова много време, като например, че почти 20 години по-късно ще имаме конектома на мухата? Най-вероятно не", заявява Себастиан Сеунг (Sebastian Seung), компютърен невролог в Принстънския университет. "Но твърде оптимистично настроените хора са двигател на прогреса."

В началото работата по картата на конектома " бе нещо противоречиво", разказва Сеунг. "Повечето хора смятаха, че това е лудост. Имаше две възражения. Едното е, че не е възможно, а второто е, че дори да успееш, данните ще бъдат безполезни".

Но вече данните са доказали своята полезност, разкривайки клетъчни детайли и солидни намеци за това как работят мозъците. Например в целия мозък на мухата има само два неврона CT1, всеки от които се занимава с усещането на промени в светлината и движението. Всеки неврон се простира през цялото око и създава огромен брой синапси - повече от 148 000, показва картата.

Анимация на CT1 неврона в мозъка на плодовата муха. Има две от тях; всеки от тях обхваща цяло око и има повече от 148 000 синапса. Кредит: Amy Sterling, Murthy and Seung laboratories, Princeton University

Друг анализ подрежда някои неврони в класове, наречени "интегратори", които получават огромен брой съобщения от други клетки, или "излъчватели", които изпращат сигнали до голяма аудитория. Тези клетки-мегафони може да помагат за разпространението на сигналите, но по селективен начин.

След като конектомът вече е картографиран, учените започват да изграждат компютърни модели на начина, по който информацията тече в мозъка.

"Започва се с връзките между невроните и те се използват, за да се изгради симулация на мрежата", разказва Сеунг. "Това е напълно очевиден подход, но не би могло да се направи, ако не се разполагаше с конектома."

В мозъка на тази плодова мушица има точно два неврона, наречени CT1, които се простират по цялата ширина на окото. Всеки от тези неврони създава над 140 000 синапса и използва уникалната си позиция, за да помага на мухата да усеща светлина и движение. Кредит: 

Едно ново проучване например показва как вкусовите неврони могат да активират други клетки надолу по веригата. И това е само началото, отбелязва Сеунг. " За любителите на научната фантастика се шегувам, че за този експеримент е трябвало да бъде пожертвана една муха, но тази муха може да живее вечно в симулация."

"Предвиждам бъдеще, в което картите на конектомите ще станат още по-обхватни и подробни и скоро ще включват мозъци на гръбначни животни като мишка и човек", заявява експертът. Тези карти ще помогнат да се отговори на големи въпроси за мозъчните конектоми - дали те са променливи при отделните индивиди, дали се променят с времето и дали могат да помогнат за предвиждане на поведението, предвижда Спорнс.

Справка:

S. Dorkenwald et alNeuronal wiring diagram of an adult brain. Nature. October 2, 2024. doi: 10.1038/s41586-024-07558-y.

P. Schlegel et al. Whole-brain annotation and multi-connectome cell typing of Drosophila. Nature. October 2, 2024. doi: 10.1038/s41586-024-07686-5.

Full collection of Drosophila connectome papers published October 2, 2024, in Nature.

Източници:

Scientists have traced all 54.5 million connections in a fruit fly’s brain, Science news

Largest brain map ever reveals fruit fly’s neurons in exquisite detail, nature

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 !