Dlaczego? Ponieważ leczenie tego, czego nie rozumiemy, jest mylące, a ludzki mózg z milionami neuronów połączonych stu bilionami synaps jest niemal beznadziejnie złożony.
Zespół neuronaukowców pod kierunkiem Princeton wykonał obecnie ogromny krok w kierunku zrozumienia ludzkiego mózgu, budując plan działania neuron po neuronie i synapsa po synapsie – mówiąc naukowo, „konektom” – przez mózg dorosłego owocu mucha (Drosophila melanogaster).
Źródło: Amy Sterling / FlyWire / Uniwersytet Princeton
Konsorcjum FlyWire zbudowało kompletny konektom każdego neuronu w mózgu Drosophila.
Zespół naukowców pod kierunkiem Princeton stworzył pierwszy szczegółowy konektom mózgu dorosłej muszki owocowej – złożoną sieć składającą się z prawie 140 000 neuronów. Ten znaczący krok w neurologii został opisany w czasopiśmie Nature i obejmował wkład różnych światowych instytucji, podkreślając zarówno złożoność mózgu muchy, jak i potencjalny wgląd, jaki oferuje on w choroby neurologiczne człowieka.
Przełomowe mapowanie mózgu: konektom dla dorosłej muszki owocowej
Naukowcy pod przewodnictwem Uniwersytet Princeton skonstruowali pierwszy szczegółowy plan działania neuron po neuronie i synapsa po synapsie przez mózg dorosłej muszki owocowej (Drosophila melanogaster), osiągając kamień milowy w badaniach mózgu. Niniejsze badanie jest sztandarowym artykułem specjalnego wydania magazynu „ Naturaktóry jest poświęcony nowemu „konektomowi” muszki owocowej.
W poprzednich próbach zmapowano mózg a C. elegancja robaka z 302 neuronami i mózgu larwalnej muszki owocowej, który zawiera około 3000 neuronów. Jednak dorosła muszka owocowa jest o kilka rzędów wielkości bardziej złożona i składa się z prawie 140 000 neuronów i około 50 milionów synaps łączących je.
Muszki owocowe stanowią 60% populacji człowieka DNAa trzy na cztery ludzkie choroby genetyczne mają odpowiednik u muszek owocowych. Zrozumienie mózgów muszek owocowych jest odskocznią do zrozumienia mózgów większych i bardziej złożonych gatunekjak ludzie.
Wspólny wysiłek w badaniach neurologicznych
„To duże osiągnięcie” – powiedziała Mala Murthy, dyrektor Instytutu Neuronauki w Princeton i, wraz z Sebastianem Seungiem, współprzewodnicząca zespołu badawczego. „Nie ma innego pełnego połączenia mózgowego u dorosłego zwierzęcia o takiej złożoności”. Murthy jest także profesorem neurologii Karola i Marnie Marcinów z 1996 r. w Princeton.
Seung i Murthy z Princeton są współautorami sztandarowej gazety „ Natura numer, który obejmuje zbiór dziewięciu powiązanych artykułów o nakładających się zbiorach autorów, pod kierownictwem badaczy z Princeton University, University of Vermont, University of Cambridge, University of California-Berkeley, UC-Santa Barbara, Freie Universität-Berlin, oraz Instytut Neuronauki Maxa Plancka na Florydzie. Prace zostały częściowo sfinansowane przez NIH Inicjatywa BRAINBezos Center for Neural Circuit Dynamics i McDonnell Center for Systems Neuroscience, a także inne publiczne i prywatne instytuty i fundusze zajmujące się neurologią, wymienione na końcu tego dokumentu.
Budowa atlasu mózgu: konsorcjum FlyWire
Mapa została opracowana przez konsorcjum FlyWire z siedzibą na Uniwersytecie Princeton i składające się z zespołów w ponad 76 laboratoriach, w których uczestniczy 287 badaczy z całego świata oraz ochotniczych graczy.
Sven Dorkenwald, główny autor statku flagowego Natura papier, stał na czele konsorcjum FlyWire.
„To, co zbudowaliśmy, pod wieloma względami przypomina atlas” – powiedział Dorkenwald, doktorant z 2023 r. absolwent Princeton, obecnie na Uniwersytecie im Uniwersytet Waszyngtoński oraz Allen Institute for Brain Science. „Tak jak nie chciałbyś jechać w nowe miejsce bez Map Google, tak nie chcesz odkrywać mózgu bez mapy. Zbudowaliśmy atlas mózgu i dodaliśmy adnotacje do wszystkich firm, budynków i nazw ulic. Dzięki temu badacze są teraz wyposażeni do przemyślanego poruszania się po mózgu, gdy próbujemy go zrozumieć”.
I podobnie jak mapa, na której zaznaczona jest każda maleńka uliczka i każda autostrada, konektom muchy pokazuje połączenia w mózgu muszki owocowej w każdej skali.
Postępy w sztucznej inteligencji i neuronauce
Mapa została zbudowana z 21 milionów obrazów pobrane z mózgu samicy muszki owocowej przez zespół naukowców pod przewodnictwem Daviego Bocka, następnie w kampusie badawczym Janelia Instytutu Medycznego Howarda Hughesa, a obecnie na Uniwersytecie w Vermont. Wykorzystując model sztucznej inteligencji zbudowany przez badaczy i inżynierów oprogramowania współpracujących z Sebastianem Seungiem z Princeton, grudki i plamy na tych obrazach zamieniono w opisaną, trójwymiarową mapę. Zamiast zachować poufność swoich danych, badacze od początku udostępnili społeczności naukowej swoją mapę neuronową.
„Mapowanie całego mózgu stało się możliwe dzięki postępowi w przetwarzaniu sztucznej inteligencji. Ręczne odtworzenie całego schematu połączeń nie byłoby możliwe. To pokaz tego, jak sztuczna inteligencja może posunąć naprzód neuronaukę” – powiedział prof. Sebastian Seung, jeden ze współprowadzących badania oraz profesor neurologii Evnin w Princeton i profesor informatyki.
„Teraz, gdy mamy już tę mapę mózgu, możemy zamknąć pętlę, w której neurony odnoszą się do poszczególnych zachowań” – powiedział Dorkenwald.
Rozwój ten może doprowadzić do opracowania dostosowanych do indywidualnych potrzeb metod leczenia chorób mózgu.
„Pod wieloma względami on (mózg) jest potężniejszy niż jakikolwiek komputer stworzony przez człowieka, jednak w większości nadal nie rozumiemy leżącej u jego podstaw logiki” – powiedział John Ngai, dyrektor USA Narodowe Instytuty Zdrowiainicjatywy BRAIN, która zapewniła częściowe finansowanie projektu FlyWire. „Bez szczegółowego zrozumienia, w jaki sposób neurony łączą się ze sobą, nie będziemy mieli podstawowej wiedzy na temat tego, co dzieje się prawidłowo w zdrowym mózgu, a co nie działa w przypadku choroby”.
Więcej informacji na temat tego przełomu:
Odniesienie: „Schemat okablowania neuronowego mózgu dorosłego” autorstwa Svena Dorkenwalda, Arie Matsliaha, Amy R. Sterlinga, Philippa Schlegela, Szi-chieh Yu, Claire E. McKellara, Alberta Lin, Marty Costa, Kathariny Eichler, Yijie Yin, Will Silversmith , Casey Schneider-Mizell, Chris S. Jordan, Derrick Brittain, Akhilesh Halageri, Kai Kuehner, Oluwaseun Ogedengbe, Ryan Morey, Jay Gager, Krzysztof Kruk, Eric Perlman, Runzhe Yang, David Deutsch, Doug Bland, Marissa Sorek, Ran Lu, Thomas Macrina, Kisuk Lee, J. Alexander Bae, Shang Mu, Barak Nehoran, Eric Mitchell, Sergiy Popovych, Jingpeng Wu, Zhen Jia, Manuel A. Castro, Nico Kemnitz, Dodam Ih, Alexander Shakeel Bates, Nils Eckstein, Jan Funke, Forrest Collman, Davi D. Bock, Gregory SXE Jefferis, H. Sebastian Seung, Mala Murthy i The FlyWire Consortium, 2 października 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07558-y
Badania te były wspierane przez inicjatywę BRAIN Initiative Narodowego Instytutu Zdrowia (NIH) (RF1 MH117815, RF1 MH129268, 1RF1MH120679-01 i U24 NS126935) oraz Narodowy Instytut Zaburzeń Neurologicznych i Udaru mózgu (NINDS) (RF1NS121911); Centrum Dynamiki Obwodów Neuralnych im. Bezosa i Centrum Neuronauki Systemowej McDonnell; Google; Instytut Allena Nauk o Mózgu; Narodowa Fundacja Nauki (NSF Neuronex2 2014862, Neuronex2 MRC MC_EX_MR/T046279/1, MRC MC-U105188491, PHY-1734030); Nagroda za współpracę Wellcome Trust (203261/Z/16/Z i 220343/Z/20/Z); staż podoktorski „Maria Skłodowska-Curie” (H2020-WF-01-2018-867459); Portugalska Rada ds. Badań Naukowych (Grant PTDC/MED-NEU/4001/2021); oraz działalność w zakresie zaawansowanych projektów badawczych wywiadu (IARPA) za pośrednictwem Departamentu Spraw Wewnętrznych (DOI) (D16PC0005).
