Struktura mózgu to jedna z najbardziej skomplikowanych zagadek we wszechświecie.
Ale teraz międzynarodowy zespół naukowców stworzył pierwszą mapę pokazującą każdy neuron i połączenia w mózgu dorosłego człowieka.
Ten „schemat połączeń”, stworzony przez konsorcjum FlyWire, ukazuje każdy ze 139 255 neuronów w mózgu muszki owocowej oraz 50 milionów połączeń między nimi.
Chociaż ludzki mózg ma około milion razy więcej neuronów niż mózg muchy, naukowcy twierdzą, że przybliża nas to do zrozumienia własnego umysłu.
Współprowadzący projekt, dr Gregory Jefferis z Uniwersytetu w Cambridge, mówi: „Schematy okablowania mózgu to pierwszy krok w kierunku zrozumienia wszystkiego, co nas interesuje – tego, jak kontrolujemy nasze ruchy, odbieramy telefon czy rozpoznajemy przyjaciela. ’
Międzynarodowy zespół naukowców stworzył pierwszą mapę pokazującą każdy neuron i połączenie w mózgu dorosłego człowieka
Mimo że mózg dorosłej muszki owocowej ma średnicę mniejszą niż jeden milimetr, jego badanie nadal jest niezwykle skomplikowaną strukturą.
Aby stworzyć tę przełomową mapę, mózg dorosłej samicy muszki owocowej został starannie pocięty na 7000 segmentów, każdy o grubości zaledwie 40 nanometrów.
Następnie każdy segment był indywidualnie skanowany przy użyciu mikroskopu elektronowego o dużej mocy, aby odsłonić poszczególne komórki tworzące mózg.
Powstały zbiór danych zajmował 100 terabajtów pamięci, co odpowiada 2500 filmom w wysokiej rozdzielczości.
Naukowcy opracowali sztuczną inteligencję zdolną do rekonstrukcji mapy mózgu poprzez identyfikację każdego neuronu i połączenia.
Ponieważ jednak sztuczna inteligencja nadal była podatna na pewne błędy, zespół 287 badaczy z ponad 76 laboratoriów na całym świecie przeszukał cały zbiór danych, aby sprawdzić, czy nie zawierają błędów.
Mapa zawiera lokalizację 139 255 neuronów i 50 milionów połączeń między nimi
Naukowcy pocięli mózg muchy na 7000 plasterków i zeskanowali je za pomocą mikroskopu elektronowego, aby odkryć, w jaki sposób każdy neuron jest połączony w całym mózgu
Naukowcy szacują, że gdyby nad sprawdzeniem danych pracowała bez przerwy pojedyncza osoba, ukończenie projektu zajęłoby 33 lata.
Choć wysiłek był ogromny, nagrodą jest najbardziej szczegółowa mapa mózgu dowolnego zwierzęcia, jaką kiedykolwiek stworzono.
Mapa ta została opublikowana w dwóch artykułach w Natura i został udostępniony publicznie innym naukowcom.
W porównaniu z wcześniejszymi próbami szczegółowego opisywania małych obszarów mózgu muchy, nowa mapa zawiera siedem razy więcej neuronów i rejestruje 54,5 miliona pojedynczych połączeń.
Wcześniej największe mózgi, które udało się w pełni zmapować, należały do larw muszek owocowych, które mają 3016 neuronów, lub nicieni, które mają tylko 302.
To pierwszy raz, kiedy naukowcom udało się zmapować mózg zwierzęcia, które potrafi chodzić, widzieć i angażować się w złożone zachowania.
Naukowcy uważają, że może to utorować drogę do zrozumienia podstawowej dynamiki, która pozwala na złożone zachowania.
Ta mapa ukazuje połączenia w mózgu z niespotykanymi wcześniej szczegółami i zawiera siedem razy więcej neuronów niż poprzednie mapy. Ten obraz przedstawia różne komórki oznaczone kolorami według substancji chemicznych używanych do przesyłania informacji
Mapa umożliwia także badaczom badanie obszarów mózgu odpowiedzialnych za różne zdolności. Na przykład ten obraz przedstawia układ wzrokowy muchy
Dr Jefferis mówi: „Muchy potrafią wykonywać najróżniejsze skomplikowane czynności, takie jak chodzenie, latanie, nawigowanie, a samce śpiewają dla samic”.
„Jeśli chcemy zrozumieć, jak działa mózg, potrzebujemy mechanistycznego zrozumienia tego, jak wszystkie neurony łączą się ze sobą i pozwalają myśleć”.
Jedno z wniosków, które wyłoniło się już z badania, jest takie, że nasze mózgi mogą nie być tak wyjątkowe, jak nam się wydaje.
W porównaniu z poprzednimi częściowymi mapami mózgu naukowcy odkryli znaczne podobieństwa w sposobie łączenia neuronów.
Sugeruje to, że nasze mózgi być może nie mają „unikalnej struktury przypominającej płatek śniegu”, ale raczej podążają za ustalonymi wzorcami.
Naukowcy odkryli, że zaledwie 0,5 procent neuronów w mózgu miało zmiany, które powodowały, że były one inaczej połączone.
Ta mapa pokazuje 100 neuronów tworzących układ ruchowy muchy. Po raz pierwszy badacze zmapowali mózg zwierzęcia zdolnego do chodzenia i widzenia
Chociaż mózg muchy zawiera milion razy mniej neuronów niż mózg ludzki, naukowcy mają nadzieję, że może to położyć podwaliny pod badania mózgów większych organizmów
Te źle okablowane neurony mogą być źródłem indywidualności naszego umysłu lub zaburzeń mózgu.
Jednak zobaczenie, jak neurony pasują do siebie, to tylko pierwsza część układanki.
Jeśli naukowcy chcą rozpocząć cyfrową symulację mózgu muszki owocowej, musimy także wiedzieć, co robią wszystkie części mózgu.
Współpierwszy autor, dr Philipp Schlegel z Laboratorium Biologii Molekularnej MRC, mówi: „Ten zbiór danych przypomina trochę Mapy Google, ale dotyczy mózgu: surowy schemat okablowania między neuronami jest jak wiedza, które struktury na zdjęciach satelitarnych Ziemi odpowiadają ulice i budynki.
„Dodawanie adnotacji do neuronów przypomina dodawanie do mapy nazw ulic i miast, godzin otwarcia firm, numerów telefonów, opinii itp. – potrzebne jest jedno i drugie, aby było to naprawdę przydatne”.
Naukowcy zidentyfikowali już ponad 8400 unikalnych typów komórek odpowiedzialnych za zdolności takie jak wzrok czy poruszanie się, w tym 4581 wcześniej nieznanych typów.
Ponieważ muszki owocowe są zdolne do złożonych zachowań, mapując ich mózgi badacze mogą dowiedzieć się więcej o obwodach nerwowych, które to umożliwiają
Następnym celem będzie identyfikacja roli poszczególnych neuronów na mapie (na zdjęciu), aby badacze mogli rozpocząć cyfrową symulację mózgu
Pozwalają nam one zobaczyć szczegółowo neuron po neuronie struktury odpowiedzialne za naturalne umiejętności nawigacyjne muchy, ich zdolność rozpoznawania kształtów, a nawet sposób, w jaki słuchają swoich piosenek.
Ponieważ muszki owocowe są częstym zwierzęciem w laboratoriach badawczych na całym świecie, naukowcy są przekonani, że te spostrzeżenia pozwolą na głębsze zrozumienie wewnętrznego funkcjonowania mózgu.
Współprowadzący badania, profesor David Bock z Uniwersytetu w Vermont, mówi: „To nieuchronnie doprowadzi do głębszego zrozumienia, w jaki sposób układy nerwowe przetwarzają, przechowują i przywołują informacje.
„Myślę, że to podejście wyznacza drogę naprzód w analizie przyszłych konektomów całego mózgu, zarówno u much, jak iu innych gatunków”.
