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.
Przełomowe badania neurobiologiczne
Zespół naukowców wspierany przez[{” attribute=”” tabindex=”0″ role=”link”>National Institutes of Health (NIH)’s The BRAIN Initiative®, including Davi Bock, Ph.D., Associate Professor of Neurological Sciences at the University of Vermont’s Robert Larner, M.D. College of Medicine, recently made a substantial advancement in neurobiological research by successfully mapping the entire brain of Drosophila melanogaster, commonly known as the fruit fly.
Recently published in the journal Nature, the study, titled “Whole-brain annotation and multi-connectome cell typing of Drosophila,” established a “consensus cell type atlas,” or a comprehensive guide, for understanding the different types of cells in the fruit fly brain. The fruit fly’s brain contains around 130,000 neurons (a human’s brain contains 86 billion; mice, which often stand-in for humans in scientific research and testing, have 100 million neurons).
The electron microscopy dataset underlying the whole-brain connectome (known as FAFB, or “Full Adult Fly Brain”) uses the detailed shapes of every neuron in the fly’s brain as well as all the synaptic connections between them to identify and catalog all cell types in the brain. This complete map will help researchers to identify how different circuits work together to control behaviors like motor control, courtship, decision-making, memory, learning, and navigation.
“If we want to understand how the brain works, we need a mechanistic understanding of how all the neurons fit together and let you think,” remarked study co-lead Gregory Jefferis, Ph.D. “For most brains, we have no idea how these networks function. Now for the fly we have this complete wiring diagram, a key step in understanding complex brain functions. In fact, using our data, shared online as we worked, other scientists have already started trying to simulate how the fly brain responds to the outside world.”
“To begin to simulate the brain digitally, we need to know not only the structure of the brain, but also how the neurons function to turn each other on and off,” remarked study co-lead Gregory Jefferis, Ph.D. “Using our data, which has been shared online as we worked, other scientists have already started trying to simulate how the fly brain responds to the outside world. This is an important start, but we will need to collect many different kinds of data to produce reliable simulations of how a brain functions.”
Significance and Implications of the Fruit Fly Connectome
While similar studies have been done with simpler organisms, such as the nematode worm C. elegans and the larval stage of the fruit fly, the adult fruit fly offers more intricate behaviors to study. Though the fruit fly’s brain is clearly less complex than that of a human, or even a mouse, the implications of the study are profound. There are tremendous commonalities in how neural circuits in all species process information; this work allows principles of information processing to be identified in a simpler model organism and then sought in larger brains. Bock notes that scientists are currently incapable of scaling up this approach to a human brain, but states that this achievement represents a noteworthy step toward complete connectome of a mouse brain.
“This type of work [being done across this field of connectomics] rozwija stan wiedzy w sposób zdarzający się raz na sto lat, umożliwiając nam zarówno mapowanie kształtów i połączeń każdego pojedynczego neuronu w całym mózgu dość wyrafinowanego zwierzęcia, dorosłej muszki owocowej, jak i opisywanie i wydobywanie powstały konektom z najnowocześniejszą analizą oprogramowania. Ani mikroskopia świetlna – nawet z wielobarwną fluorescencją – ani klasyczna metoda Golgiego i metody pokrewne nie zapewniły takich możliwości” – powiedział Bock. „Osiągnięcie tego wyczynu w skali całego mózgu ważnego genetycznego organizmu modelowego, takiego jak muszka owocowa, stanowi niezwykły postęp w tej dziedzinie”.
Konsorcjum FlyWire i wspólne udostępnianie danych
W badaniu tym wykorzystano narzędzia i dane wygenerowane przez firmę Konsorcjum FlyWirew tym liderzy badań, tacy jak Bock z UVM; dr Gregory Jefferis i dr Philipp Schlegel z Laboratorium Biologii Molekularnej MRC i Uniwersytetu w Cambridge; i Sebastian Seung, dr. i Mala Murthy, Ph.D Uniwersytet Princeton. Konsorcjum wykorzystało obrazy mózgu z mikroskopu elektronowego wygenerowane wcześniej w laboratorium Bocka, aby stworzyć szczegółową mapę połączeń między neuronami w całym mózgu dorosłej samicy muszki owocowej. Mapa ta obejmuje około 50 milionów synaps chemicznych pomiędzy wspomnianymi 139 255 neuronami muchy.
Naukowcy dodali także informacje na temat różnych typów komórek, nerwów, linii rozwojowych oraz przewidywania dotyczące neuroprzekaźników wykorzystywanych przez neurony. Narzędzie do analizy danych Connectome Data Explorer firmy FlyWire o otwartym dostępie jest dostępne do pobrania i można je przeglądać interaktywnie – a wszystko to w duchu zachęcania do nauki zespołowej. Praca ta jest szczegółowo opisana w załączniku Natura artykuł „Schemat okablowania neuronowego mózgu dorosłego”.
„Uczyniliśmy całą bazę danych otwartą i swobodnie dostępną dla wszystkich badaczy. Mamy nadzieję, że będzie to przełomowe dla neuronaukowców próbujących lepiej zrozumieć, jak działa zdrowy mózg” – stwierdził Murthy. „Mamy nadzieję, że w przyszłości możliwe będzie porównanie tego, co dzieje się, gdy coś złego dzieje się w naszym mózgu, na przykład w przypadku chorób psychicznych”.
Wniosek: Rola muszki owocowej w neurologii
Śledząc połączenia między komórkami czuciowymi a neuronami ruchowymi, badacze mogą odkryć potencjalne mechanizmy obwodów kontrolujące zachowania muszek owocowych, co stanowi kluczowy krok w kierunku zrozumienia złożoności ludzkiego poznania i zachowania.
„Mała muszka owocowa jest zaskakująco wyrafinowana i od dawna służy jako potężny model pozwalający zrozumieć biologiczne podstawy zachowania” – powiedział dr John Ngai, dyrektor strony finansującej badanie, NIH 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”.
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 Konsorcjum, 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
Odniesienie: „Lista części neuronowych i schemat okablowania systemu wizualnego” autorstwa Arie Matsliah, Szi-chieh Yu, Krzysztof Kruk, Doug Bland, Austin T. Burke, Jay Gager, James Hebditch, Ben Silverman, Kyle Patrick Willie, Ryan Willie, Marissa Sorek, Amy R. Sterling, Emil Kind, Dustin Garner, Gizem Sancer, Mathias F. Wernet, Sung Soo Kim, Mala Murthy, H. Sebastian Seung i konsorcjum FlyWire, 2 października 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07981-1
„Statystyki sieciowe konektomu całego mózgu Drosophila”autorzy: Albert Lin, Runzhe Yang, Sven Dorkenwald, Arie Matsliah, Amy R. Sterling, Philipp Schlegel, Szi-chieh Yu, Claire E. McKellar, Marta Costa, Katharina Eichler, Alexander Shakeel Bates, Nils Eckstein, Jan Funke, Gregory SXE Jefferis i Mala Murthy, 2 października 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07968-y
„Obliczeniowy model mózgu Drosophila ujawnia przetwarzanie sensomotoryczne” Philipa K. Shiu, Gabrielli R. Sterne, Nico Spiller, Romain Franconville, Andrea Sandoval, Joie Zhou, Neha Simha, Chan Hyuk Kang, Seongbong Yu, Jinseop S. Kim, Sven Dorkenwald , Arie Matsliah, Philipp Schlegel, Szi-chieh Yu, Claire E. McKellar, Amy Sterling, Marta Costa, Katharina Eichler, Alexander Shakeel Bates, Nils Eckstein, Jan Funke, Gregory SXE Jefferis, Mala Murthy, Salil S. Bidaye, Stefanie Hampel, Andrew M. Seeds i Kristin Scott, 2 października 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07763-9
„Rekonstrukcja konektomiczna przewiduje cechy wizualne używane do nawigacji” autorstwa Dustina Garnera, Emila Kinda, Jennifer Yuet Ha Lai, Aljoscha Nern, Arthur Zhao, Lucy Houghton, Gizem Sancer, Tanya Wolff, Gerald M. Rubin, Mathias F. Wernet i Sung Soo Kim , 2 października 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07967-z
„Mechanizmy obwodów nerwowych leżące u podstaw kontekstowego zatrzymania u Drosophila” autorstwa Neha Sapkal, Nino Mancini, Divya Sthanu Kumar, Nico Spiller, Kazuma Murakami, Gianna Vitelli, Benjamin Bargeron, Kate Maier, Katharina Eichler, Gregory SXE Jefferis, Philip K. Shiu, Gabriella R. Sterne i Salil S. Bidaye, 2 października 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07854-7
„Konektom muchy odkrywa ścieżkę do efektomu” Dean A. Pospisil, Max J. Aragon, Sven Dorkenwald, Arie Matsliah, Amy R. Sterling, Philipp Schlegel, Szi-chieh Yu, Claire E. McKellar, Marta Costa, Katharina Eichler, Gregory SXE Jefferis, Mala Murthy i Jonathan W. Pillow, 2 października 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07982-0
„Przewidywanie funkcji wzrokowych poprzez interpretację schematu połączeń neuronowych” H. Sebastian Seung, 2 października 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07953-5
