Vaisinės muselės smegenų dydis prilygsta aguonos sėklai ir nesunku nepastebėti.

„Manau, kad dauguma žmonių net nemano, kad musė turi smegenis“, – sakė neurologas Vivekas Jayaramanas iš Howardo Hugheso medicinos instituto Janelijos tyrimų universiteto Virdžinijoje. – Bet, žinoma, musės gyvena labai turtingą gyvenimą.

Musės gali elgtis sudėtingai, įskaitant naršymą įvairiuose kraštovaizdžiuose, Kova su konkurentais Dainuojantys potencialūs draugai. Ir jų dėmės dydžio smegenys yra labai sudėtingos, jose yra apie 100 000 neuronų ir Dešimtys milijonų jungčių ar sinapsių tarp jų.

Nuo 2014 m. Janelijos mokslininkų komanda bendradarbiauja su Google tyrinėtojai, atvaizdavo šiuos neuronus ir sinapses, siekdamas sukurti išsamią Drosophila smegenų laidų schemą, dar vadinamą neuroniniu tinklu.

Darbas, kuris yra nenutrūkstamas, yra daug laiko ir brangus, net naudojant šiuolaikinius mašininio mokymosi algoritmus. Tačiau iki šiol paskelbti duomenys yra stulbinantys savo detalumu, sudarydami atlasą iš dešimčių tūkstančių dygliuotų neuronų daugelyje svarbių musės smegenų sričių.

ir dabar, Masyviame naujame lapeNeurologai, paskelbti antradienį žurnale eLife, pradeda rodyti, ką jie gali su juo padaryti.

Analizuodami tik nedidelės musės smegenų dalies – centrinio komplekso, kuris atlieka svarbų vaidmenį navigacijoje – neuroninį tinklą, daktaras Gyaramanas su kolegomis nustatė daugybę naujų neuronų tipų ir specifinių neuronų grandinių, kurios, atrodo, padeda musėms susitvarkyti. kelią per pasaulį. Darbas galiausiai galėtų padėti suprasti, kaip visų rūšių gyvūnų smegenys, įskaitant mūsų, apdoroja jutiminės informacijos antplūdį ir paverčia ją tinkamais veiksmais.

Tai taip pat yra naujos šiuolaikinių neuroninių ryšių srities principo įrodymas, pagrįstas pažadu, kad išsamių smegenų laidų schemų kūrimas duos mokslinės naudos.

„Tai tikrai neįprasta“, – sakė daktaras Clay Reedas, Sietlo Alleno smegenų mokslų instituto vyresnysis mokslo darbuotojas. „Manau, kad kiekvienas, pažvelgęs į tai, pasakytų, kad sinapsės yra įrankis, kurio mums reikia neurologijos srityje – visiškas sustojimas.

„Tavo proto skrydis iškepęs“

Vienintelis ištisas neuroninis tinklas gyvūnų karalystėje priklauso nuolankiajai apvaliajai kirmėlei C. elegans. Novatoriškas biologas Sidney Brenneris, vėliau pelnęs Nobelio premiją, projektą pradėjo septintajame dešimtmetyje. Jo nedidelė komanda praleido daug metų, naudodama spalvotus pieštukus, kad ranka atsektų visus 302 neuronus.

„Brenneris suprato, kad norint suprasti nervų sistemą, reikia žinoti jos struktūrą“, – sakė Alberto Einšteino medicinos koledžo neurologas ir genetikas Scottas Emmonsas. Sukurkite naują neuroninį tinklą C. elegans. Tai tiesa visoje biologijoje. Struktūra yra labai svarbi“.

Brenneris ir kt jų istorinis dokumentas, kuris buvo įrašytas 340 puslapių, 1986 m.

Tačiau šiuolaikinių neuroninių jungčių sritis išpopuliarėjo tik 2000-aisiais, kai vaizdo gavimo ir skaičiavimo pažanga pagaliau leido nustatyti ryšius didesnėse smegenyse. Pastaraisiais metais mokslininkų grupės visame pasaulyje pradėjo sujungti zebražuvių, paukščių giesmininkų, pelių, žmonių ir kt. neuroninius tinklus.

Kai 2006 m. buvo atidarytas Janelia Research Campus, jo įkūrėjas direktorius Geraldas Rubinas atkreipė dėmesį į vaisinę musę. „Nenoriu įžeisti savo kolegų kirminų, bet manau, kad musės yra paprasčiausios smegenys, kurios iš tikrųjų elgiasi įdomiai ir sudėtingai“, – sakė daktaras Rubinas.

Kelios skirtingos Janelia komandos vėlesniais metais pradėjo aviacijos ryšių tinklų projektus, tačiau darbas, dėl kurio buvo parengtas naujas dokumentas, prasidėjo 2014 m. Penkių dienų vaisinės muselės patelės smegenys.

Tyrėjai supjaustė musės smegenis į plokšteles ir panaudojo techniką, žinomą kaip fokusuoto jonų pluošto skenavimo elektronų mikroskopija, kad jas atvaizduotų sluoksnis po sluoksnio. Mikroskopas iš esmės veikė kaip labai maža ir labai tiksli nagų dildė, pašalinusi labai ploną smegenų sluoksnį, nufotografavusi atvirą audinį ir kartojanti procesą, kol nieko nebeliko.

„Tuo pačiu metu vaizduojame ir pjaunate mažus musės smegenų segmentus, todėl baigus jų nėra“, – sakė daktaras Jayaramanas. „Taigi, jei ką nors padarote ne taip, baigsite. Žąsis iškepta arba jūsų musės smegenys iškepusios.”

Tada komanda naudojo kompiuterinės vizijos programinę įrangą, kad sujungtų milijonus gautų vaizdų viename 3D aplanke ir išsiųstų juos „Google“. Ten mokslininkai naudojo pažangius mašininio mokymosi algoritmus, kad nustatytų kiekvieną atskirą neuroną ir sektų jo besisukančias šakas.

Galiausiai Janelijos komanda naudojo papildomus skaičiavimo įrankius sinapsėms nustatyti, o žmonių tyrinėtojai peržiūrėjo kompiuterių darbą, ištaisė klaidas ir peržiūrėjo laidų schemas.

Praėjusiais metais mokslininkai neuroninio tinklo plitimas NS tai, ką jie vadino „hemibrain“, Didelė centrinės musės smegenų dalis, apimanti sritis ir struktūras, būtinas miegui, mokymuisi ir navigacijai.

Nervų sistema, kuri yra laisvai prieinama internete, apima apie 25 000 neuronų ir 20 milijonų sinapsių, o tai yra daug didesnis skaičius nei C. elegans.

„Tai didžiulis padidėjimas“, – sakė Niujorko Rokfelerio universiteto neurologas Corey Bargmanas. „Tai didžiulis žingsnis siekiant tikslo dirbti su smegenų ryšiu.”

Sveiki atvykę į vadovą

Kai smegenų neuroninis tinklas buvo paruoštas, dr. Gyaraman, musių navigacijos neurologijos ekspertas, nekantravo pasinerti į duomenis centriniame baseine.

Smegenų sritis, kurioje yra apie 3000 neuronų ir randama visuose vabzdžiuose, padeda musėms sukurti vidinį savo erdvinio santykio su pasauliu modelį, o tada pasirinkti ir įgyvendinti jų aplinkybes atitinkantį elgesį, pvz., ieškoti maisto, kai yra alkanas.

„Jūs man sakote, kad galite man duoti tokio dalyko laidų schemą?” Daktaras Jayaramanas pasakė. „Tai geresnis pramoninis šnipinėjimas, nei galite gauti susipažinę su Apple iPhone.”

Jis ir jo kolegos žiūrėjo į neuroninio tinklo duomenis, tyrinėdami, kaip regiono neuroninės grandinės buvo sugrupuotos.

Pavyzdžiui, Hannah Haberkern, daktaro laipsnio daktarė daktaro Jayaraman laboratorijoje, analizavo neuronus, kurie siunčia jutiminę informaciją į elipsoidą – apskritą pyrago formos struktūrą, kuri veikia kaip Vidinis muselinis kompasas.

Daktaras Haberkernas nustatė, kad neuronai, perduodantys informaciją apie šviesos poliarizaciją – universalus ekologinis vadovas, kurį daugelis gyvūnų naudoja navigacijai – užmezgė daugiau ryšių su kompaso neuronais nei su neuronais, kurie perduoda informaciją apie kitas ląsteles. Vizualiniai orientyrai ir orientyrai.

Neuronai, skirti šviesos poliarizacijai, taip pat jungiasi prie smegenų ląstelių, kurios teikia informaciją apie kitus navigacinius signalus – ir gali juos stipriai slopinti.

Tyrėjai iškelia hipotezę, kad musių smegenys gali būti sujungtos, kad būtų teikiama pirmenybė informacijai apie pasaulinę aplinką keliaujant, tačiau taip pat šios grandinės yra lanksčios, todėl kai šios informacijos nepakanka, jie gali daugiau dėmesio skirti vietinėms kraštovaizdžio ypatybėms. „Jie turi visas šias atsargines strategijas“, – sakė daktaras Haberkernas.

Namų telefonas vaisių muselė

Kiti tyrėjų komandos nariai nustatė konkrečius nervinius kelius, kurie, atrodo, puikiai tinka padėti musei sekti galvos ir kūno kryptį, numatyti būsimą kryptį ir kelionės kryptį, apskaičiuoti dabartinę kryptį kitos norimos vietos atžvilgiu ir tada judėti. ta kryptimi.

Įsivaizduokite, pavyzdžiui, alkana musė laikinai atsisakė pūvančio banano, norėdama pažiūrėti, ar jis gali čiulbėti ką nors geresnio. Tačiau po kelių minučių bevaisio tyrinėjimo (tiesiogine prasme) ji nori grįžti prie ankstesnio valgio.

Neuroninio tinklo duomenys rodo, kad tam tikros smegenų ląstelės, techniškai žinomos kaip PFL3 neuronai, padeda muselei atlikti šį manevrą. Šie neuronai gauna du svarbius įvestis: jie gauna signalus iš neuronų, kurie seka musės kryptimi, ir iš neuronų, kurie gali stebėti banano kryptį.

Gavę šiuos signalus, PFL3 neuronai siunčia savo žinią neuronų grupei, kuri skatina musę pasukti tinkama kryptimi. Vėl patiekiama vakarienė.

„Gebėjimas atsekti šią veiklą per tą grandinę – nuo ​​pojūčių iki variklio per šią sudėtingą tarpinę grandinę – yra tikrai nuostabi“, – sakė šiai analizės daliai vadovavęs Dr. Jayaraman laboratorijos mokslininkas Bradas Hulse’as. Jis pridūrė, kad neuroninis tinklas „mums parodė daug daugiau, nei manėme, kad tai nutiks“.

Kolekcinis popierius, kuriame yra 75 paveikslų juodraštis ir 360 puslapių, yra tik pradžia.

„Tai tikrai siūlo šį pagrindinį faktą toliau tyrinėti šį smegenų regioną“, – sakė Lundo universiteto Švedijoje vabzdžių neurologijos ekspertas Stanley Heinzas. „Tai labai įspūdinga.”

Ir tiesiog baisu. „Nelaikyčiau to moksliniu darbu, o kaip knyga“, – sakė daktaras Heinzas.

Tiesą sakant, popierius yra toks didelis, kad pasiruošimo spaudai serveris bioRxiv Iš pradžių jie atsisakė jį skelbti, tikriausiai todėl, kad pareigūnai – dėl suprantamų priežasčių – manė, kad taip tikrai yra knyga“, – sakė daktaras Jayaramanas. (Serveris galiausiai nurodė, kad tyrimas buvo paskelbtas po kelių papildomų apdorojimo dienų.)

Daktaras Jayaramanas pridūrė, kad norint paskelbti straipsnį „eLife“, „reikia tam tikrų specialių leidimų ir bendravimo su redakcine kolegija“.

Skrydžio pamokos

Yra apribojimų tam, ką vienu momentu gali atskleisti pavienių smegenų momentinė nuotrauka, o neuroniniai tinklai neužfiksuoja visko, kas įdomu gyvūno smegenyse. (Pavyzdžiui, Janelia neuroniniame tinkle nėra glijos ląstelių, kurios atlieka įvairias svarbias užduotis smegenyse.)

Daktaras Jayaramanas ir jo kolegos tvirtino, kad iš neuroninio tinklo nebūtų galėję daryti daug išvadų, jei ne dešimtmečius trukę daugelio kitų mokslininkų tyrimai apie vaisinių muselių elgesį ir pagrindinę nervų fiziologiją bei funkcijas, taip pat teorinius neuromokslus. dirbti.

Tačiau laidų schemos gali padėti mokslininkams ištirti esamas teorijas ir sudaryti geresnes hipotezes, nuspręsti, kokius klausimus užduoti ir kokius eksperimentus atlikti.

„Dabar mes tikrai džiaugiamės, kad paimame tas idėjas, kurias įkvėpė neuroninis tinklas, ir grįžtame prie mikroskopo, grįžtame prie savo elektrodų ir iš tikrųjų registruojame smegenis ir pamatome, ar tos idėjos yra tikros“, – sakė dr. Hulse. .

Žinoma, būtų galima – o kai kurie – stebėjosi, kodėl Drosophila smegenų grandinės yra tokios svarbios.

„Per šventes manęs apie tai daug klausia“, – sakė dr. Hulse.

Musės nėra pelės, šimpanzės ar žmonės, tačiau jų smegenys atlieka kai kurias tas pačias pagrindines užduotis.. Vabzdžių pagrindinių nervų grandinių supratimas gali suteikti svarbių užuominų apie tai, kaip kitų gyvūnų smegenys susiduria su panašiomis problemomis, sakė Vašingtono universiteto Sent Luise neurologas Davidas Van Essenas.

Įgijęs gilų musių smegenų supratimą, jis sakė, kad „taip pat suteikia mums įžvalgų, labai svarbių žinduolių ir net žmonių smegenims ir jų elgesiui suprasti“.

Sukurti tinklus didesnėms ir sudėtingesnėms smegenims bus labai sudėtinga. Pelės smegenyse yra apie 70 milijonų neuronų, o žmogaus smegenyse – 86 milijardai.

Tačiau sudėtingas centrinis lapas tikrai nėra vienas; Šiuo metu ruošiami išsamūs regioninių pelių ir žmogaus neuroninių tinklų tyrimai, daktaras Reedas sakė: „Ateis daug daugiau“.

Žurnalų redaktoriai, laikykite save įspėjimu.