Создать аккаунт
Главная » Наука и технологии » Представлена полная карта мозговых цепей плодовой мушки

Представлена полная карта мозговых цепей плодовой мушки

0

Фото из открытых источников
Каким образом электрические импульсы, перемещающиеся по сплетению нейронов, управляют сложным поведением? Исследователи, ищущие ответ, реконструировали полную схему электропроводки, или коннектом, мозга взрослой плодовой мушки — подвиг, сродни картированию всех зданий, проспектов и улиц в сложном городе. 
 
Всеобъемлющая карта продвинет исследования нейронной активности, лежащей в основе фундаментальных процессов, таких как ходьба и зрение у Drosophila melanogaster , вида насекомых, широко используемых в качестве модельного организма. Нейробиологи приветствуют это достижение, опубликованное в пакете из девяти статей в Nature, как веху, которая подтолкнет другие, более амбициозные проекты по коннектому у данио-рерио, мышей и даже людей.
 
Когда ученые завершают коннектом животного — подвиг, впервые достигнутый для нематоды Caenorhabditis elegans десятилетия назад — «внезапно уровень понимания оказывается намного дальше всего, что было раньше», — говорит Альберт Кардона, нейробиолог из Лаборатории молекулярной биологии Медицинского исследовательского совета, который не принимал участия в проекте. «Существует коннектом до и после — BC и AC», — говорит он, ссылаясь на известную цитату теоретика-нейробиолога Колумбийского университета Ларри Эбботта. Кардона говорит, что теперь исследователи наконец могут понять, как работают у мухи такие базовые функции, как зрение и обоняние, а также исследовать более сложные формы поведения, такие как навигация и принятие решений. «Это конец начала» для нейробиологов, изучающих мух, говорит он.
 
С момента публикации 302-нейронного коннектома C. elegans в 1986 году исследователи создали частичные коннектомы для мозга мухи, мыши и человека. Кардона и его команда опубликовали коннектом личинки D. melanogaster в прошлом году. Но это первый полный коннектом взрослого организма за десятилетия.
 
Работа началась в 2018 году, когда исследователи из исследовательского кампуса Janelia Медицинского института Говарда Хьюза получили изображение мозга самки мухи с нанометровым разрешением с помощью электронной микроскопии и сделали его общедоступным. Нейробиолог, изучающий мух, Мала Мурти и вычислительный нейробиолог Себастьян Сен из Принстонского института нейронауки придумали использовать эти изображения для идентификации и картирования связей между каждым видимым нейроном, создавая коннектом. «Но это казалось действительно нелепым», — говорит Мурти. «Это был просто слишком большой продукт. Никто не делал карту в таком масштабе».
 
Вид искусственного интеллекта (ИИ), известный как машинное обучение, может помочь превратить данные визуализации в 3D-реконструкции каждого нейрона и его синапсов, связей с другими нейронами. Но алгоритмы, на которых он работает, допускают ошибки, поэтому реконструкции необходимо исправлять вручную. Чтобы достичь этого подвига, Мурти и Сын сформировали консорциум FlyWire , группу лабораторий, в основном в Соединенных Штатах и Европе, частично финансируемую инициативой BRAIN (Исследования мозга через продвижение инновационных нейротехнологий) Национального института здравоохранения США. В 2022 году они создали онлайн-платформу, чтобы позволить сотням добровольцев-неспециалистов вручную проверять реконструкции и классифицировать каждый нейрон. По оценкам группы, на эту задачу у одного человека ушло бы 33 года работы в одиночку. «Такого рода обмен данными ... беспрецедентен», — говорит Мурти.
 
Окончательная карта отображает 149 метров проводов, упакованных в мозг размером с песчинку . Она также включает 54,5 миллиона синапсов среди примерно 140 000 нейронов, которые команда классифицировала в более чем 8400 типов , многие из которых были недавно идентифицированы.
 
«Это достижение не просто замечательное, оно выдающееся», — говорит Мориц Хельмштедтер, нейробиолог из Института исследований мозга Макса Планка, который не принимал участия в проекте. Полнота коннектома, добавляет он, имеет ключевое значение: исследователи, которые обнаруживают интересное поведение в экспериментах с мухами, теперь могут обратиться к коннектому за его основой. «Вокруг этого есть забор», — говорит он о наборе данных, «и нет объяснения возможностей соединения за пределами этого сада прекрасных нейронов».
 
В других статьях пакета исследователи дают представление о том, как коннектом мухи может быть использован для ответа на исследовательские вопросы. Например, одна группа смогла определить две различные нейронные цепи, которые муха использует для остановки ходьбы в различных контекстах — когда она останавливается во время еды и когда она останавливается, чтобы привести себя в порядок. Другая группа использовала данные для создания вычислительной модели, которая правильно предсказывала, какие нейроны чувствуют сахар или воду . В третьем исследовании Сен предсказал, какие нейроны являются частью цепи, важной для зрения, на основе проводки зрительной доли мухи.
 
Поскольку FlyWire сделал данные проекта общедоступными с самого начала, коннектом уже использовался в более чем 50 публикациях. «Иногда, когда вы делаете что-то в науке, никто не обращает внимания. Но иногда люди не только обращают внимание — они фактически используют это для своих собственных исследований, и они благодарны», — говорит Сен. «Это очень приятное чувство».
 
Этот ресурс стал преобразующим для нейробиолога из Университета Эмори Аниты Девинени, которая написала комментарий к новым статьям в Nature и чья команда использовала коннектом для анализа вкусовых цепей мух. «Десятилетиями мы не знали, что такое вкусовые нейроны в мозге», — говорит она, «И вот, внезапно, за короткий промежуток времени… вы можете это понять». 
 
Теперь исследователи могут сравнить этот снимок мозга взрослой мухи с коннектомом личинки, чтобы ответить на вопросы о том, что меняется во время развития нервной системы. А чтобы изучить половые различия, Мурти и другие работают над реконструкцией коннектома мозга самца мухи, а также над еще более полным коннектомом, который включает нервную цепь мухи.
 
Исследователи предсказывают, что технология, разработанная для FlyWire, в частности, интеграция ИИ с краудсорсингом для корректуры, поможет ускорить подобные проекты. Ожидается, что коннектом данио-рерио будет завершен в ближайшие несколько лет. А Хельмштедтер предсказывает, что мозг мыши и человека (примерно в 500 и 600 000 раз больше нейронов, чем у мухи) может появиться после этого: «В следующем десятилетии мы увидим колоссальный прогресс и, возможно, первый полный коннектом мозга млекопитающего».
0 комментариев
Обсудим?
Смотрите также:
Продолжая просматривать сайт inftaiga.ru вы принимаете политику конфидициальности.
ОК