Augļu mušas smadzeņu izmērs ir magoņu sēkliņas lielumā, un to ir viegli nepamanīt.
“Es domāju, ka lielākā daļa cilvēku pat nedomā, ka mušai ir smadzenes,” sacīja Viveks Džajaramans, neirozinātnieks Hovarda Hjūza Medicīnas institūta Džanēlijas pētniecības pilsētiņā Virdžīnijā. “Bet, protams, mušas dzīvo ļoti bagātu dzīvi.”
Mušas spēj veikt sarežģītu uzvedību, tostarp orientēties dažādās ainavās, Cīņa ar konkurentiem Potenciālie dziedāšanas biedri. Un viņu plankumainās smadzenes ir ļoti sarežģītas, tajās ir aptuveni 100 000 neironu un Desmitiem miljonu savienojumu vai sinapses starp tām.
Kopš 2014. gada Janelia zinātnieku komanda ir sadarbojusies ar Google pētnieki, kartēja šos neironus un sinapses, cenšoties izveidot visaptverošu Drosophila smadzeņu elektroinstalācijas shēmu, kas pazīstama arī kā neironu tīkls.
Darbs, kas ir nepārtraukts, ir laikietilpīgs un dārgs pat ar modernu mašīnmācīšanās algoritmu palīdzību. Taču līdz šim publicētie dati ir pārsteidzoši detalizēti, veidojot desmitiem tūkstošu smailo neironu atlantu daudzos svarīgos mušas smadzeņu reģionos.
un tagad, Masīvā jaunā lapiņāNeirozinātnieki, kas publicēti otrdien žurnālā eLife, sāk parādīt, ko viņi ar to var darīt.
Analizējot tikai nelielas mušas smadzeņu daļas – centrālā kompleksa, kam ir svarīga loma navigācijā – neironu tīklu, Dr. Gjaramans un kolēģi ir identificējuši desmitiem jaunu neironu tipu un specifiskas neironu shēmas, kas, šķiet, palīdz mušām izveidot savu darbību. ceļu cauri pasaulei. Darbs galu galā varētu palīdzēt sniegt ieskatu par to, kā visu veidu dzīvnieku smadzenes, tostarp mūsu, apstrādā sensorās informācijas plūdus un pārvērš to atbilstošā darbībā.
Tas ir arī principa pierādījums jaunajai mūsdienu neironu savienojumu jomai, kas balstīta uz solījumu, ka detalizētu smadzeņu elektroinstalācijas shēmu izveide dos zinātniskus ieguvumus.
“Tas ir patiešām neparasti,” par jauno dokumentu sacīja Dr. Klejs Rīds, vecākais pētnieks Sietlas Alena smadzeņu zinātņu institūtā. “Es domāju, ka ikviens, kas to aplūko, teiktu, ka sinapses ir rīks, kas mums vajadzīgs neirozinātnē – pilnīga apstāšanās.”
“Tava prāta muša ir pagatavota”
Vienīgais pilnīgais neironu tīkls dzīvnieku valstībā pieder pieticīgajam apaļtārpam C. elegans. Novatoriskais biologs Sidnijs Brenners, kurš vēlāk ieguva Nobela prēmiju, uzsāka projektu pagājušā gadsimta sešdesmitajos gados. Viņa mazā komanda pavadīja vairākus gadus, izmantojot krāsainus zīmuļus, lai ar roku izsekotu visiem 302 neironiem.
“Brenners saprata, ka, lai izprastu nervu sistēmu, ir jāzina tās struktūra,” sacīja Alberta Einšteina Medicīnas koledžas neirozinātnieks un ģenētiķis Skots Emmons. Izveidojiet jaunu neironu tīklu C. elegans. Tas attiecas uz visu bioloģiju. Struktūra ir ļoti svarīga.”
Brenner et al viņu vēsturiskais raksts, kas ierakstīts 340 lappusēs, 1986. gadā.
Taču mūsdienu neironu savienojumu joma pacēlās tikai 2000. gados, kad attēlveidošanas un skaitļošanas attīstība beidzot ļāva identificēt savienojumus lielākās smadzenēs. Pēdējos gados pētnieku grupas visā pasaulē ir sākušas apvienot zebrazivju, dziedātājputnu, peļu, cilvēku un citu cilvēku neironu tīklus.
Kad 2006. gadā tika atvērta Janelia Research Campus, tās dibinātājs Džeralds Rubins pievērsa uzmanību augļu mušai. “Es nevēlos aizvainot nevienu no saviem kolēģiem tārpiem, bet es domāju, ka mušas ir visvienkāršākās smadzenes, kas patiesībā veic interesantu un sarežģītu uzvedību,” sacīja Dr Rubins.
Turpmākajos gados vairākas dažādas komandas uzņēmumā Janelia uzsāka aviācijas sakaru tīklu projektus, taču darbs, kas noveda pie jaunā dokumenta, sākās 2014. gadā, kad Piecas dienas vecas augļmušas mātītes smadzenes.
Pētnieki sagrieza mušu smadzenes plāksnēs un pēc tam izmantoja paņēmienu, kas pazīstams kā fokusēta jonu staru skenējošā elektronu mikroskopija, lai tās attēlotu slāni pa slānim. Mikroskops būtībā darbojās kā ļoti maza un ļoti precīza nagu vīle, noņemot ļoti plānu smadzeņu slāni, nofotografējot atklātos audus un pēc tam atkārtojot procesu, līdz nekas vairs nebija palicis.
“Jūs vienlaikus attēlveidojat un griežat mazus mušas smadzeņu segmentus, tāpēc pēc tam, kad esat pabeidzis, tie tur vairs nav,” sacīja Dr Jayaraman. “Tātad, ja jums ir kaut kas nepareizi, jūs esat pabeidzis. Zoss ir pagatavota vai jūsu muša smadzenes ir pagatavotas.”
Pēc tam komanda izmantoja datorredzes programmatūru, lai apvienotu miljoniem iegūto attēlu vienā 3D mapē un nosūtītu tos Google. Tur pētnieki izmantoja uzlabotus mašīnmācīšanās algoritmus, lai identificētu katru atsevišķo neironu un izsekotu tā vīšanas zarus.
Visbeidzot, Janelia komanda izmantoja papildu skaitļošanas rīkus, lai identificētu sinapses, un cilvēku pētnieki pārskatīja datoru darbu, laboja kļūdas un pārskatīja elektroinstalācijas shēmas.
Pagājušajā gadā pētnieki neironu tīklu izplatība NS ko viņi sauca par “pussmadzenēm”, Liela centrālās mušas smadzeņu daļa, kas ietver zonas un struktūras, kas ir svarīgas miegam, mācībām un navigācijai.
Nervu sistēma, kas ir brīvi pieejama tiešsaistē, ietver aptuveni 25 000 neironu un 20 miljonus sinapses, kas ir daudz lielāks skaits nekā C. elegans.
“Tas ir milzīgs pieaugums,” sacīja Korijs Bargmens, Ņujorkas Rokfellera universitātes neirozinātnieks. “Tas ir milzīgs solis ceļā uz mērķi strādāt pie smadzeņu savienojamības.”
Laipni lūdzam ceļvedī
Kad smadzeņu neironu tīkls bija gatavs, doktors Gjaramans, mušu navigācijas neirozinātnes eksperts, ļoti vēlējās ienirt centrālajā baseinā esošajos datos.
Smadzeņu reģions, kurā ir aptuveni 3000 neironu un ir atrodams visos kukaiņos, palīdz mušām izveidot iekšējo modeli to telpiskajām attiecībām ar pasauli un pēc tam izvēlēties un īstenot apstākļiem atbilstošu uzvedību, piemēram, meklēt barību, kad tās ir izsalkušas.
“Jūs man sakāt, ka varat man iedot elektroinstalācijas shēmu kaut kam šādam?” Dr Jayaraman teica. “Šī ir labāka rūpnieciskā spiegošana, nekā jūs varat iegūt, gūstot ieskatu Apple iPhone.”
Viņš un viņa kolēģi aplūkoja neironu tīkla datus, pētot, kā reģiona neironu ķēdes tika sagrupētas.
Piemēram, Hanna Haberkerna, doktorantūras doktora doktora doktora Jayaraman laboratorijā, analizēja neironus, kas nosūta sensoro informāciju elipsoīdam, apļveida kūkas formas struktūrai, kas darbojas kā Iekštelpu mušu kompass.
Dr. Haberkerns atklāja, ka neironi, kas pārraida informāciju par gaismas polarizāciju — universālu ekoloģisko ceļvedi, ko daudzi dzīvnieki izmanto navigācijai — izveidoja vairāk savienojumu ar kompasa neironiem nekā ar neironiem, kas pārraida informāciju par citām šūnām. Vizuālie orientieri un orientieri.
Neironi, kas veltīti gaismas polarizācijai, arī savienojas ar smadzeņu šūnām, kas sniedz informāciju par citiem navigācijas signāliem – un spēj tos nopietni kavēt.
Pētnieki izvirza hipotēzi, ka mušu smadzenes var būt savienotas, lai dotu prioritāti informācijai par globālo vidi, atrodoties ceļā, taču arī šīs shēmas ir elastīgas, lai, ja šī informācija ir nepietiekama, viņi varētu pievērst lielāku uzmanību ainavas vietējām iezīmēm. “Viņiem ir visas šīs rezerves stratēģijas,” sacīja Dr. Haberkerns.
Fruit fly mājas tālrunis
Citi pētnieku grupas dalībnieki ir identificējuši specifiskus neironu ceļus, kas šķiet labi piemēroti, lai palīdzētu mušai izsekot galvas un ķermeņa virzienam, paredzēt tās turpmāko virzienu un pārvietošanās virzienu, aprēķināt pašreizējo virzienu attiecībā pret citu vēlamo vietu un pēc tam pārvietoties. tajā virzienā.
Iedomājieties, piemēram, ka izsalkusi muša uz laiku atteicās no trūdoša banāna, lai redzētu, vai tas var izšūpot kaut ko labāku. Bet pēc dažām neauglīgām izpētes minūtēm (burtiski) viņa vēlas atgriezties pie iepriekšējās maltītes.
Neironu tīkla dati liecina, ka noteiktas smadzeņu šūnas, kas tehniski pazīstamas kā PFL3 neironi, palīdz mušai veikt šo manevru. Šie neironi saņem divus svarīgus ievades signālus: tie saņem signālus no neironiem, kas seko virzienam, uz kuru vērsta muša, un arī no neironiem, kas varētu kontrolēt banāna virzienu.
Pēc šo signālu saņemšanas PFL3 neironi nosūta savu ziņojumu neironu grupai, kas mudina mušu pagriezties pareizajā virzienā. Atkal tiek pasniegtas vakariņas.
“Spēja izsekot šai darbībai caur šo ķēdi – no sajūtām līdz motoram caur šo sarežģīto starpķēžu – ir patiešām pārsteidzoša,” teica Breds Hulse, pētnieks Dr. Jayaraman laboratorijā, kurš vadīja šo analīzes daļu. Viņš piebilda, ka neironu tīkls “mums parādīja daudz vairāk, nekā mēs domājām, ka tas notiks.”
Krājuma papīrs, kurā ir 75 skaitļu melnraksts un aptver 360 lappuses, ir tikai sākums.
“Tas patiešām piedāvā šo galveno faktu, lai tālāk izpētītu šo smadzeņu reģionu,” sacīja Stenlijs Heincs, kukaiņu neirozinātnes eksperts Lundas Universitātē Zviedrijā. “Tas ir ļoti iespaidīgi.”
Un vienkārši milzīgs. “Es to neuztvertu kā pētniecisku rakstu, bet drīzāk kā grāmatu,” sacīja doktors Heincs.
Faktiski papīrs ir tik liels, ka pirmsdrukas serveris bioRxiv Sākumā viņi atteicās to publicēt, iespējams, tāpēc, ka amatpersonas – saprotamu iemeslu dēļ – uzskatīja, ka tā patiešām bija grāmatu, sacīja Dr Jayaraman. (Serveris galu galā norādīja, ka pētījums tika publicēts pēc dažām papildu apstrādes dienām.)
Dr Jayaraman piebilda, ka papīra publicēšanai eLife “nepieciešamas dažas īpašas atļaujas un saziņa ar redakciju”.
Lidošanas nodarbības
Ir ierobežojumi tam, ko vienā laika brīdī var atklāt atsevišķu smadzeņu momentuzņēmums, un neironu tīkli neuztver visu interesanto dzīvnieka smadzenēs. (Piemēram, Janelia neironu tīkls izlaiž glia šūnas, kas smadzenēs veic visu veidu svarīgus uzdevumus.)
Dr Jayaraman un kolēģi apgalvoja, ka viņi nebūtu varējuši daudz secināt no neironu tīkla, ja ne gadu desmitiem ilgušiem iepriekšējiem daudzu citu zinātnieku pētījumiem par augļu mušu uzvedību un pamata nervu fizioloģiju un funkcijām, kā arī teorētisko neirozinātni. strādāt.
Taču elektroinstalācijas shēmas var palīdzēt pētniekiem izpētīt esošās teorijas un veidot labākas hipotēzes, izlemjot, kādus jautājumus uzdot un kādus eksperimentus veikt.
“Tagad tas, par ko mēs esam patiesi satraukti, ir ņemt tās idejas, kuras iedvesmojis neironu tīkls, un atgriezties pie mikroskopa, atgriezties pie mūsu elektrodiem un faktiski reģistrēt smadzenes un redzēt, vai šīs idejas ir patiesas,” sacīja Dr Hulse. .
Protams, varētu — un daži ir domājuši — kāpēc Drosophila smadzeņu ķēdes ir tik svarīgas.
“Brīvdienās man par to bieži jautā,” sacīja Dr. Hulse.
Mušas nav peles, šimpanzes vai cilvēki, taču to smadzenes veic dažus no tiem pašiem pamatuzdevumiem.. Izpratne par kukaiņu pamata nervu ķēdēm varētu sniegt svarīgus norādījumus par to, kā citu dzīvnieku smadzenes tiek galā ar līdzīgām problēmām, sacīja Deivids Van Esens, Vašingtonas universitātes Sentluisas neirozinātnieks.
Iegūstot dziļu izpratni par mušu smadzenēm, viņš teica: “arī sniedz mums ieskatu, kas ir ļoti svarīgs, lai izprastu zīdītāju un pat cilvēku smadzenes un to uzvedību.”
Tīklu izveide lielākām un sarežģītākām smadzenēm būs ļoti sarežģīta. Peles smadzenēs ir aptuveni 70 miljoni neironu, bet cilvēka smadzenēs ir 86 miljardi.
Bet sarežģītā centrālā lapa noteikti nav viena; Pašlaik tiek izstrādāti detalizēti pētījumi par reģionālajiem peles un cilvēka neironu tīkliem, Dr. Rīds sacīja: “Tur ir vēl daudz vairāk.”
Žurnālu redaktori, uzskatiet sevi par brīdinājumu.
