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.
«Интроверт. Мыслитель. Решатель проблем. Злой специалист по пиву. Склонен к приступам апатии. Эксперт по социальным сетям».
More Stories
Ветеринары бьют тревогу по поводу потенциально смертельной болезни, поражающей собак
НАСА сообщает, что космический мусор упал на крышу дома семьи
Новое исследование предполагает, что Уран и Нептун состоят не из того, о чем мы думали