Naukowcy, wspierani przez inicjatywę BRAIN Initiative NIH, stworzyli kompleksową mapę mózgu muszki owocowej, identyfikując wszystkie typy neuronów i połączenia synaptyczne. Ten szczegółowy konektom ułatwia nowe badania nad funkcjami mózgu, takimi jak kontrola motoryczna i podejmowanie decyzji, torując drogę dla przyszłych symulacji i wglądu w złożone czynności mózgu.
Zespół badawczy wspierany przez Narodowe Instytuty Zdrowia (NIH) ujawnił pierwszą kompleksową mapę połączeń nerwowych w mózgu muszki owocowej. Mapa ta przedstawia schemat połączeń, zwany konektomem, przedstawiający największy i najbardziej kompletny jak dotąd schemat neuronowy dorosłego zwierzęcia. Praca dostarcza istotnych informacji na temat architektury mózgu i szlaków sygnalizacyjnych wspierających zdrowe funkcje mózgu. Szczegółowo opisano w serii dziewięciu artykułów opublikowanych w czasopiśmie Naturabadanie dokumentuje ponad 50 milionów połączeń między ponad 130 000 neuronów.
Odkrywanie wyrafinowania neuronowego
„Mała muszka owocowa jest zaskakująco wyrafinowana i od dawna służy jako potężny model pozwalający zrozumieć biologiczne podstawy zachowania” – powiedział dr John Ngai, dyrektor Instytutu NIH Badania mózgu poprzez rozwój inicjatywy w zakresie innowacyjnych neurotechnologii®Lub Inicjatywa BRAIN®. „Ten kamień milowy nie tylko zapewnia naukowcom nowy zestaw narzędzi do zrozumienia, w jaki sposób obwody w mózgu wpływają na zachowanie, ale co ważne, służy jako zapowiedź trwających wysiłków finansowanych w ramach projektu BRAIN, mających na celu mapowanie połączeń większych mózgów ssaków i ludzi”.
Mapa konektomu szczegółowo opisuje pełny zestaw klas komórek w mózgu muszki owocowej, identyfikując różne typy neuronów i połączeń chemicznych, czyli synaps, między neuronami. Zapewnia również wgląd w rodzaj neuroprzekaźnik (chemikalia np dopamina Lub serotonina) wydzielane przez każdy neuron.
Mapowanie obwodów behawioralnych
Naukowcy stworzyli także mapę projekcji między obszarami mózgu, zwaną projekcją, która śledzi organizację półkul i obwodów behawioralnych w mózgu muchy. Umożliwia szczegółowe mapowanie określonych obwodów mózgowych kontrolujących zachowanie, takich jak obwód mózgowy oka, który odbiera bodźce wzrokowe i generuje zmiany w zachowaniu, które orientują ciało muchy podczas lotu.
W artykule towarzyszącym badacze zamieścili adnotację na temat konektomu muchy, wyszczególniając typy komórek, klasy komórek i nie tylko. Zawiera informacje istotne dla badaczy i innych osób, które będą wykorzystywać konektom do pogłębiania wiedzy na temat fizjologii i zachowania mózgu.
Postęp w badaniach mózgu poprzez współpracę społeczną
Muszka owocowa jest zdolna do zaskakująco zaawansowanych funkcji poznawczych i zachowań, co czyni ją idealnym kandydatem do tego wstępnego projektu konektomu. Na przykład mogą tworzyć wspomnienia długotrwałe, angażować się w interakcje społeczne i nawigować na duże odległości. Teraz, gdy ustalono już konektom muszki owocowej, można zastosować tę samą metodologię do szybkiego tworzenia podobnych map u zwierząt o większych mózgach. Na przykład nowa mapa może służyć jako punkt odniesienia do zrozumienia, w jaki sposób szereg ludzkich mutacji wpływa na połączenia mózgowe.
Naukowcy podjęli się stworzenia konektomu muchowego obrazy z mikroskopu elektronowego całego mózgu muchy który został udostępniony publicznie i wykorzystywał program komputerowy do automatycznej identyfikacji lub „segmentacji” neuronów na obrazach. Program nie jest niezawodny, dlatego badacze stworzyli system obliczeniowy narzędzi, który umożliwił dużej internetowej społeczności badawczej przyjrzenie się segmentom i ich korektę pod kątem dokładnośćoraz dodawaj adnotacje do typów komórek i klas w sposób zorientowany na społeczność. Korektę identyfikacji i opisu poszczególnych neuronów wykonało konsorcjum muszek owocowych laboratoria o nazwie FlyWire, w których uczestniczyli naukowcy z całego świata.
„W 2021 r. jedynie 15% neuronów zostało poddanych korekcie” – powiedziała dr Shelli Avenevoli, pełniąca obowiązki dyrektora Narodowego Instytutu Zdrowia Psychicznego NIH. „Udostępnienie korekty szerszej społeczności naukowej badającej mózg muszki owocowej znacznie przyspieszyło tempo, w jakim udało nam się ukończyć ten konektom”.
Narzędzia do analizy danych dla pełnej muszki owocowej Connectom można znaleźć pod adresem https://codex.flywire.ai/. Naukowcy mogą wchodzić w interakcję z danymi konektomu pod adresem https://fafb-flywire.catmaid.org/. Badanie było wspierane przez inicjatywę BRAIN Initiative NIH, multidyscyplinarną współpracę 10 instytutów i ośrodków NIH umożliwia to naukowcom zrozumienie mózgu na niespotykanym wcześniej poziomie szczegółowości, zarówno pod względem zdrowia, jak i choroby, poprawiając sposób leczenia, zapobiegania i leczenia zaburzeń mózgu.
Więcej informacji na temat tego przełomu:
Referencje:
„Schemat okablowania neuronowego mózgu dorosłego” autorstwa Svena Dorkenwalda, Arie Matsliaha, Amy R. Sterling, Philippa Schlegela, Szi-chieh Yu, Claire E. McKellar, 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
„Adnotacje całego mózgu i typowanie komórek z wieloma konektomami Drosophila”: Philipp Schlegel, Yijie Yin, Alexander S. Bates, Sven Dorkenwald, Katharina Eichler, Paul Brooks, Daniel S. Han, Marina Gkantia, Marcia dos Santos, Eva J. Munnelly, Griffin Badalamente, Laia Serratosa Capdevila, Varun A. Sane , Alexandra MC Fragniere, Ladann Kiassat, Markus W. Pleijzier, Tomke Stürner, Imaan FM Tamimi, Christopher R. Dunne, Irene Salgarella, Alexandre Javier, Siqi Fang, Eric Perlman, Tom Kazimiers, Sridhar R. Jagannathan, Arie Matsliah, Amy R Sterling, Szi-chieh Yu, Claire E. McKellar, FlyWire Consortium, Marta Costa, H. Sebastian Seung, Mala Murthy, Volker Hartenstein, Davi D. Bock i Gregory SXE Jefferis, 2 października 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07686-5
Badania mózgu poprzez rozwój innowacyjnych neurotechnologii® Initiative i The BRAIN Initiative® są zastrzeżonymi znakami towarowymi Departamentu Zdrowia i Opieki Społecznej Stanów Zjednoczonych.
