2783
Науковці з дослідницького кампусу Janelia Медичного інституту Говарда Г’юза завершили створення найповнішої на сьогодні карти нервової системи комахи – конектому центральної нервової системи самця плодової мушки. Ця карта охоплює понад 166 тисяч нейронів мозку та черевного нервового канатика і мільйони зв’язків між ними. Проєкт описано у матеріалі Newswise Science News.
Отриманий «електропроводковий» план мозку дрозофіли показує, як нервові кола поєднують сенсорні сигнали з діями – від сприйняття зору й смаку до навігації, залицяння та агресії. Дослідники вважають, що цей ресурс допоможе розкрити логіку роботи мозку і зрештою наблизить до розуміння, як виникають порушення на кшталт хвороби Альцгеймера чи депресії.
Ставка на «неможливий» конектом
Коли команда Janelia у 2008 році вирішила картувати всі нейрони мозку дрозофіли, більшість нейробіологів вважали це нереальним і мало корисним завданням. До того часу єдиним повним конектомом була схема з’єднань у крихітного черв’яка C. elegans з 302 нейронами, на яку пішло понад десять років роботи.
Мозок мушки містить понад 100 тисяч нейронів, тож за наявних тоді технологій, за оцінками команди, проєкт вимагав би 500 людей і десятиліття праці. Засновник Janelia Джеррі Рубін (Gerry Rubin) зробив ставку на те, що розвиток мікроскопії та обчислювальних методів дозволить зменшити час і вартість у тисячу разів і зробить конектом складної тварини досяжним.
Під керівництвом старшого групового лідера Гаральда Гесса (Harald Hess) дослідники роками вдосконалювали електронну мікроскопію, отримуючи надзвичайно детальні зображення окремих нейронів. Паралельно, у співпраці з Google Research, створювали алгоритми штучного інтелекту для автоматизованого розпізнавання та зшивання цих зображень у тривимірну карту.
Від «півмозку» до повної нервової системи
Шлях до повного конектому почався з картування невеликих, біологічно важливих ділянок мозку. У 2020 році команда представила так званий hemibrain – карту приблизно 25 тисяч нейронів, що охоплювала половину мозку дрозофіли. Це був на той момент найбільший і найдетальніший конектом, який продемонстрував, що подібні карти можуть давати реальні відкриття про роботу мозку.
Hemibrain швидко став базою для сотень досліджень у всьому світі й переконав багатьох скептиків у цінності конектоміки. Після цього різні лабораторії почали будувати власні карти нервових мереж дедалі складніших організмів.
Тепер Janelia та її партнери з Кембриджа і Google завершили перший повний конектом центральної нервової системи самця дрозофіли. Він включає всі нейрони мозку, обидві зорові долі та черевний нервовий канатик, що керує рухами.
Що показує конектом мушки
Нова карта дозволяє простежити повні нервові ланцюги від сенсорних входів до моторних виходів. Це дає змогу, наприклад, реконструювати, як мушка використовує зорову інформацію для орієнтації в просторі й досягнення цілі.
Порівняння самців і самок показує, що:
- нейрони, які відрізняються за статтю, зосереджені переважно у вищих відділах мозку;
- кола, що відповідають за базові відчуття та рух, значною мірою спільні для обох статей;
- існують «перемикачі» в мережі, які перенаправляють однакові сенсорні сигнали в різні поведінкові шляхи – ймовірне пояснення того, чому однаковий стимул викликає різну реакцію у самців і самок.
Виявлено також близько 100 типів інтернейронів, специфічних для самців, що утворюють щільно переплетену мережу в центральному мозку і координують більшість чоловічих форм поведінки, зокрема залицяння.
Зір, смак і «внутрішній стан» мозку
Трасування сигналів від ока через повний конектом показало, що візуальна обробка проникає глибоко в мозок і залучає понад половину всіх типів нейронів. На основі структури зв’язків дослідники отримали функціональні прогнози для тисяч нейронів, фізіологічні властивості яких ще не вимірювали: які зорові канали їх активують, наскільки сильно і з яких ділянок поля зору.
Окремо створено повну карту смакової системи – від смакових рецепторів по всьому тілу до мотонейронів, що керують харчуванням. Вона показує, як нейрони, що передають приємні й відразливі сигнали, підключені до кіл, які контролюють прийом їжі, рух, вивільнення гормонів і шлюбну поведінку. Це може допомогти зрозуміти, як внутрішній стан організму, незалежно від миттєвих зовнішніх подразників, впливає на смакозумовлені рішення.
Наступний крок – мозок хребетних
Досвід, здобутий на дрозофілі, Janelia тепер переносить на прозорих риб – личинок даніо-реріо (zebrafish) та дорослу Danionella. Мета – отримати перший докладний механістичний опис того, як мозок хребетної тварини породжує складну поведінку.
У межах ініціативи AI@HHMI під керівництвом Рубіна створюються молекулярно анотовані конектоми мозку мушки та риб, які міститимуть додаткову інформацію про типи сигналів між нейронами. Інша команда, очолювана Мішею Аренсом (Misha Ahrens), поєднує повний конектом мозку личинки даніо-реріо з записами активності всіх нейронів під час поведінки, щоб будувати передбачувальні моделі роботи мозку.
Такі проєкти показують, що за менш ніж два десятиліття конектоміка пройшла шлях від сумнівної ідеї до потужного інструмента, який змінює нейронауку. А карта 166 тисяч нейронів мозку мушки стала ключовим кроком на цьому шляху.
Карта 166 тисяч нейронів мозку мушки змінює нейронауку з’явилася спочатку на Цікавості.
