Почему ученые потратили годы на картирование мозга этого существа?

Размер мозга плодовой мухи равен размеру мака, и его легко не заметить.

«Я думаю, что большинство людей даже не думают, что у мухи есть мозг», — сказал Вивек Джаяраман, нейробиолог из исследовательского кампуса Джанелии в Медицинском институте Говарда Хьюза в Вирджинии. «Но, конечно, мухи живут очень богатой жизнью».

Мухи способны к сложному поведению, в том числе к навигации по разнообразным ландшафтам, Борьба с конкурентами Поют потенциальные товарищи. Их мозг размером с пятно очень сложен, он содержит около 100000 нейронов и Десятки миллионов связей или синапсов между ними.

С 2014 года команда ученых Janelia сотрудничает с Исследователи Google, нанесли на карту эти нейроны и синапсы, пытаясь создать исчерпывающую схему соединений, также известную как нейронная сеть, мозга дрозофилы.

Работа, которая является непрерывной, трудоемка и дорогостояща, даже с помощью современных алгоритмов машинного обучения. Но данные, опубликованные на данный момент, поражают своей детализацией, формируя атлас из десятков тысяч шиповатых нейронов во многих важных областях мозга мух.

и сейчас, В массивном новом листеНейробиологи, опубликованные во вторник в журнале eLife, начинают показывать, что они могут с этим сделать.

Анализируя нейронную сеть только небольшой части мозга мухи — центрального комплекса, который играет важную роль в навигации, — доктор Гьяраман и его коллеги определили десятки новых типов нейронов и специфических нейронных цепей, которые, по-видимому, помогают мухам находить их способ. по миру. В конечном итоге эта работа может помочь понять, как все виды мозга животных, включая наш, обрабатывают поток сенсорной информации и переводят ее в соответствующие действия.

Это также доказательство принципа новой области современных нейронных связей, основанного на обещании, что создание подробных схем мозгового соединения принесет научную пользу.

«Это действительно необычно, — сказал доктор Клэй Рид, старший научный сотрудник Института исследований мозга Аллена в Сиэтле, о новой статье. «Я думаю, что любой, кто посмотрел бы на это, сказал бы, что синапсы — это инструмент, который нам нужен в нейробиологии — полная остановка».

«Твоя муха разума приготовлена»

Единственная полноценная нейронная сеть в животном мире принадлежит скромному круглому червю C. elegans. Биолог-новатор Сидни Бреннер, позже получивший Нобелевскую премию, начал этот проект в 1960-х годах. Его небольшая команда потратила на это годы, используя цветные карандаши, чтобы вручную проследить все 302 нейрона.

«Бреннер понял, что для понимания нервной системы необходимо знать ее структуру», — сказал Скотт Эммонс, нейробиолог и генетик из Медицинского колледжа Альберта Эйнштейна. Создайте новую нейронную сеть C. elegans. Это верно в отношении биологии. Структура очень важна ».

Бреннер и др. их исторический документ, который был записан на 340 страницах в 1986 году.

Но область современных нейронных связей не развивалась до 2000-х годов, когда достижения в области визуализации и вычислений, наконец, позволили идентифицировать связи в больших мозгах. В последние годы исследовательские группы по всему миру начали собирать воедино нейронные сети рыбок данио, певчих птиц, мышей, людей и многих других.

Когда в 2006 году открылся исследовательский кампус Janelia, его директор-основатель Джеральд Рубин нацелился на плодовую мушку. «Я не хочу обидеть кого-либо из своих собратьев-червей, но я думаю, что мухи — это простейший мозг, который на самом деле ведет интересное и сложное поведение», — сказал доктор Рубин.

В последующие годы несколько разных команд в Janelia приступили к проектам сетей авиационной связи, но работа, которая привела к новому документу, началась в 2014 году с Мозг пятидневной самки плодовой мушки.

Исследователи разрезали мозг мухи на пластины, а затем использовали метод, известный как сканирующая электронная микроскопия с фокусированным ионным пучком, для получения изображения слоя за слоем. По сути, микроскоп работал как очень маленькая и очень точная пилка для ногтей, удаляя очень тонкий слой мозга, делая снимок обнаженной ткани, а затем повторяя процесс до тех пор, пока ничего не останется.

«Вы одновременно визуализируете и разрезаете небольшие сегменты мозга мухи, чтобы их не осталось после того, как вы закончите», — сказал доктор Джаяраман. «Так что, если вы ошиблись, все готово. Готовится гусь — или приготовлен мозг вашей мухи».

Затем команда использовала программное обеспечение компьютерного зрения, чтобы объединить миллионы полученных изображений в одну трехмерную папку и отправить их в Google. Там исследователи использовали передовые алгоритмы машинного обучения, чтобы идентифицировать каждый отдельный нейрон и отслеживать его скручивающие ветви.

Наконец, команда Джанелии использовала дополнительные вычислительные инструменты для идентификации синапсов, а исследователи-люди проанализировали работу компьютеров, исправили ошибки и пересмотрели электрические схемы.

В прошлом году исследователи распространение нейронной сети NS то, что они называли «гемибреном», Большая часть мозга центральной мухи, которая включает области и структуры, необходимые для сна, обучения и навигации.

Нервная система, которая находится в свободном доступе в Интернете, включает около 25 000 нейронов и 20 миллионов синапсов, что намного больше, чем у C. elegans.

«Это огромный рост», — сказал Кори Баргман, нейробиолог из Университета Рокфеллера в Нью-Йорке. «Это огромный шаг к цели работы над связью мозга».

Добро пожаловать в гид

Когда нейронная сеть мозга была готова, доктор Гьяраман, эксперт в области нейробиологии навигации мух, захотел погрузиться в данные в центральном пуле.

Область мозга, которая содержит около 3000 нейронов и встречается у всех насекомых, помогает мухам строить внутреннюю модель их пространственных отношений с миром, а затем выбирать и реализовывать поведение, соответствующее их обстоятельствам, например, поиск пищи, когда они голодны.

«Ты хочешь сказать, что можешь дать мне электрическую схему для чего-то вроде этого?» — сказал доктор Джаяраман. «Это лучший промышленный шпионаж, чем можно получить, изучив Apple iPhone».

Он и его коллеги просмотрели данные нейронной сети, изучая, как нейронные цепи в регионе сгруппированы вместе.

Например, Ханна Хаберкерн, научный сотрудник лаборатории доктора Джаярамана, проанализировала нейроны, которые отправляют сенсорную информацию на эллипсоид, круглую структуру в форме пирога, которая действует как Домашний компас для мух.

Доктор Хаберкерн обнаружил, что нейроны, которые, как известно, передают информацию о поляризации света — универсальный экологический ориентир, который используют многие животные для навигации, — имеют больше связей с нейронами компаса, чем с нейронами, которые передают информацию о других клетках. Визуальные ориентиры и ориентиры.

Нейроны, отвечающие за поляризацию света, также подключаются к клеткам мозга, которые предоставляют информацию о других навигационных сигналах, и способны серьезно их подавлять.

Исследователи предполагают, что мозг мух может быть настроен на определение приоритетов информации о глобальной окружающей среде на ходу, но также и что эти схемы являются гибкими, так что, когда этой информации недостаточно, они могут уделять больше внимания локальным особенностям ландшафта. «У них есть все эти стратегии резервного копирования», — сказал доктор Хаберкерн.

Домашний телефон Fruit fly

Другие члены исследовательской группы определили определенные нейронные пути, которые, по-видимому, хорошо подходят для помощи мухе в отслеживании направления ее головы и тела, прогнозировании ее будущего направления и направления движения, вычислении ее текущего направления относительно другого желаемого местоположения и затем перемещении. в этом направлении.

Представьте, например, что голодная муха на время бросила гниющий банан, чтобы посмотреть, может ли он взмахнуть чем-нибудь получше. Но после нескольких минут бесплодных исследований (буквально) она хочет вернуться к своей предыдущей трапезе.

Данные нейронной сети показывают, что определенные клетки мозга, известные как нейроны PFL3, помогают мухе осуществить этот маневр. Эти нейроны получают два важных входа: они получают сигналы от нейронов, которые следуют в направлении, в котором смотрит муха, а также от нейронов, которые могут отслеживать направление банана.

Получив эти сигналы, нейроны PFL3 отправляют собственное сообщение группе нейронов, которые побуждают муху повернуть в правильном направлении. Ужин снова подан.

«Способность проследить эту активность через этот контур — от органов чувств до двигателя через этот сложный промежуточный контур — действительно удивительна», — сказал Брэд Халс, научный сотрудник лаборатории доктора Джаярамана, который руководил этой частью анализа. Он добавил, что нейронная сеть «показала нам гораздо больше, чем мы думали».

Сборник статей, включающий в себя черновик из 75 рисунков и охватывающий 360 страниц, — это только начало.

«Это действительно важный факт для дальнейшего изучения этой области мозга», — сказал Стэнли Хайнц, эксперт по нейробиологии насекомых из Лундского университета в Швеции. «Это очень впечатляет».

И просто грозно. «Я бы не стал рассматривать ее как исследовательскую работу, а скорее как книгу», — сказал доктор Хайнц.

На самом деле бумага настолько велика, что допечатный сервер bioRxiv Сначала отказались опубликовать его, вероятно, потому, что официальные лица — по понятным причинам — подумали, что это действительно так. книга, сказал доктор Джаяраман. (Сервер в конце концов указал, что исследование было опубликовано после нескольких дополнительных дней обработки.)

Доктор Джаяраман добавил, что публикация статьи в eLife «требует некоторых специальных разрешений и связи с редакцией».

Уроки полетов

Существуют ограничения на то, что снимок отдельного мозга может показать в определенный момент времени, а нейронные сети не фиксируют все интересное в мозгу животного. (Например, нейронная сеть Джанелии не включает глиальные клетки, которые выполняют все виды важных задач в мозге.)

Доктор Джаяраман и его коллеги утверждали, что они не смогли бы сделать много выводов из нейронной сети, если бы не десятилетия предыдущих исследований, проведенных многими другими учеными, в отношении поведения плодовых мух, базовой нервной физиологии и функций, а также теоретической нейробиологии. Работа.

Но электрические схемы могут помочь исследователям исследовать существующие теории и формировать более обоснованные гипотезы, решая, какие вопросы задавать и какие эксперименты проводить.

«Теперь то, что нам действительно нравится, — это взять те идеи, которые были вдохновлены нейронной сетью, и вернуться к микроскопу, вернуться к нашим электродам и фактически записать мозг и посмотреть, верны ли эти идеи», — сказал доктор Халс. .

Конечно, можно — и некоторые задаются вопросом — почему цепи мозга дрозофилы так важны.

«Меня часто спрашивают об этом по праздникам», — сказал доктор Халс.

Мухи — это не мыши, шимпанзе или люди, но их мозг выполняет одни и те же основные задачи.. По словам Дэвида Ван Эссена, нейробиолога из Вашингтонского университета в Сент-Луисе, понимание основных нейронных цепей насекомого может дать важные ключи к разгадке того, как мозг других животных справляется с аналогичными проблемами.

По его словам, глубокое понимание мухи-мозга «также дает нам понимание, очень важное для понимания мозга млекопитающих и даже человека и их поведения».

Создание сетей для более крупного и сложного мозга будет очень сложной задачей. Мозг мыши содержит около 70 миллионов нейронов, а человеческий мозг имеет объем 86 миллиардов.

Но сложный центральный лист, конечно, не одинок; В настоящее время в стадии разработки находятся подробные исследования региональных нейронных сетей мыши и человека, сказал доктор Рид: «Впереди еще много всего».

Редакция журнала, считайте себя предупреждением.