Naukowcy opracowali pierwszy kompletny schemat połączeń w mózgu u dorosłej muszki owocowej. Obejmuje on wszystkie 139 255 neuronów i ponad 50 milionów połączeń między nimi. Ta mapa mózgu może być wykorzystana do pogłębienia naszej wiedzy na temat działania obwodów neuronowych i utorować drogę do lepszego zrozumienia tego, w jaki sposób mózg generuje zachowania. Naukowcy podkreślają, że mapa mózgu muszki owocowej jest naprawdę niezwykłym osiągnięciem i pomoże nam zrozumieć, jak działa nasz własny mózg.
Pierwszy kompletny schemat połączeń całego mózgu wywilżny karłowatej (Drosophila melanogaster), znanej szerzej jako muszka owocowa, jest dziełem międzynarodowej grupy naukowców m.in. z Princeton University, University of Cambridge czy University of Vermont, zrzeszonych w projekcie FlyWire Consortium. To pierwszy konektom, czyli mapa sieci połączeń neuronalnych, stworzony dla mózgu tak rozwiniętego organizmu. Dotychczas podobne mapy tworzone były dla larwy muszki owocowej, która ma 3016 neuronów (więcej na ten temat w tekście: Powstała pierwsza mapa mózgu owada), i nicienia, który ma 302 neurony. Dorosła muszka owocowa ma 139 255 neuronów.
Opis oraz rezultaty prac ukazały się w pakiecie dziewięciu artykułów opublikowanych na łamach pisma „Nature”.
Konektom mózgu muszki owocowej
Naukowcy z FlyWire Consortium spędzili na tworzeniu mapy ostatnich kilka lat. Wykonali ogromną pracę. Najpierw pocięli mózg muszki owocowej na 7000 kawałków, każdy o grubości zaledwie 40 nanometrów. Fragmenty te zostały zobrazowane za pomocą mikroskopu elektronowego. Następnie uczeni wykorzystali sztuczną inteligencję do przeanalizowania milionów obrazów i prześledzenia ścieżki każdego neuronu i połączenia synaptycznego. Dzięki algorytmom połączyli zebrane dane, aby utworzyć pełną mapę mózgu muszki owocowej. Zważając na to, że narzędzia sztucznej inteligencji nie są idealne, potrzeba było sprawdzić pod kątem błędów powstały schemat. Był on tak duży, że do pracy badacze zaprosili wolontariuszy. Łącznie w schemacie złożonym przez algorytmy dokonano ponad trzy miliony korekt.
Ale to nie był koniec pracy. Mapa nadal musiała zostać opisana. W kolejnym kroku badacze i wolontariusze określali typ każdego neuronu. Łącznie zidentyfikowali 8453 typów neuronów — znacznie więcej, niż ktokolwiek się spodziewał. Spośród nich 4581 było dotychczas nieznanych.
Zespół był również zaskoczony niektórymi sposobami, w jakie różne komórki łączą się ze sobą. Na przykład neurony, o których sądzono, że są zaangażowane tylko w jeden obwód sensoryczny, taki jak szlak wzrokowy, miały tendencję do odbierania sygnałów z wielu zmysłów, w tym słuchu i dotyku.
– Można zapytać, dlaczego interesujemy się mózgiem muszki owocówki? Moja odpowiedź brzmi, że jeśli naprawdę zrozumiemy, jak funkcjonuje jakikolwiek mózg, to z pewnością powie nam to coś o wszystkich mózgach – powiedział Sebastian Seung z Princeton University, jeden z liderów projektu FlyWire Consortium.
Jak działa mózg?
Dzięki mapie naukowcy byli w stanie zidentyfikować oddzielne obwody dla wielu indywidualnych funkcji i pokazać, jak są one połączone. Badacze wykorzystali konektom do stworzenia komputerowego modelu całego mózgu muszki owocowej, w tym wszystkich połączeń między neuronami. Przetestowali go, aktywując neurony, o których wiedzieli, że wyczuwają słodki lub gorzki smak. Neurony te następnie uruchomiły kaskadę sygnałów przepływających przez mózg wirtualnej muchy, uruchamiając neurony ruchowe połączone z trąbką owada, którą można uznać za odpowiednik naszego języka.
Gdy aktywowali neurony odpowiadające za czucie słodkiego smaku, wysyłany był sygnał do wyciągnięcia trąbki, jakby owad przygotowywał się do jedzenia. Ale gdy aktywowali neurony gorzkiego smaku, sygnał do wyciągnięcia trąbki był hamowany. Aby potwierdzić te odkrycia, zespół aktywował te same neurony u żywej muszki owocowej. To pokazało, że symulacja była w ponad 90 proc. dokładna w swoich przewidywaniach, które neurony zareagują, a zatem jak zachowa się mucha.
Badacze wykazali też, że owad używa dwóch różnych obwodów neuronowych do zatrzymywania się. Wszystko zależy od kontekstu. Jeden jest aktywowany, gdy muszka chce się zatrzymać i pożywić. Drugi, gdy owad zatrzymuje się, aby się wyczyścić. Uczeni zlokalizowali również neurony, które są częścią szlaku wzrokowego.
– Jeśli chcemy zrozumieć, jak działa mózg, potrzebujemy zrozumienia, w jaki sposób wszystkie neurony pasują do siebie i pozwalają myśleć. W przypadku większości mózgów nie mamy pojęcia, jak działają te sieci. Muszki owocowe potrafią wykonywać wszelkiego rodzaju skomplikowane rzeczy, takie jak chodzenie, latanie, nawigowanie, a samce nawet śpiewają samicom. Schematy połączeń mózgowych to pierwszy krok do zrozumienia wszystkiego, co nas interesuje — jak kontrolujemy nasze ruchy, odbieramy telefon lub rozpoznajemy przyjaciela – powiedział Gregory Jefferis z University of Cambridge.
Kompleksowa mapa mózgu
Jednym z ograniczeń nowego konektomu jest to, że został stworzony na podstawie jednej samicy muszki owocowej. Chociaż mózgi muszek są do siebie podobne, nie są identyczne. Mimo to ta kompleksowa mapa przyspieszy badania nad aktywnością neuronalną, która leży u podstaw tak fundamentalnych procesów jak chodzenie i widzenie u tego gatunku owada powszechnie wykorzystywanego jako organizm modelowy.
Naukowcy zrzeszeni w projekcie FlyWire Consortium twierdzą, że wciąż trzeba wykonać wiele pracy, aby w pełni zrozumieć mózg muszki owocówki. Na przykład najnowszy konektom pokazuje tylko, jak neurony łączą się za pomocą synaps, przez które cząsteczki zwane neuroprzekaźnikami wysyłają informacje. Nie oferuje żadnych informacji o łączności elektrycznej między neuronami ani o tym, jak neurony komunikują się chemicznie poza synapsami. Badacze chcą również stworzyć konektom samca muszki owocowej, co pozwoliłoby badać zachowania specyficzne dla samców i różnice płciowe. Zamierzają też dogłębnie porównać konektom dorosłej muszki z konektomem larwy, aby odpowiedzieć na pytania o to, co zmienia się podczas rozwoju neuronalnego.
Prace nad stworzeniem kompletnego schematu połączeń dla mózgu myszy już się rozpoczęły, a naukowcy mają nadzieję, że uda się je ukończyć w ciągu pięciu do dziesięciu lat. Prace nad konektomem danio pręgowanego mają zostać ukończone również w ciągu najbliższych kilku lat. W kolejce czeka też mózg człowieka, z jego 86 miliardami neuronów i bilionami połączeń. Jednak ludzki mózg jest miliony razy bardziej złożony niż mózg muszki owocowej, co sprawia, że kompletny schemat jego połączeń jest obecnie poza zasięgiem dzisiejszej technologii.
– Udostępniliśmy całą bazę danych wszystkim badaczom. Mamy nadzieję, że będzie to przełomowe dla neurobiologów próbujących lepiej zrozumieć, jak działa zdrowy mózg. W przyszłości mamy nadzieję, że będzie można porównać, co się dzieje, gdy w naszych mózgach coś pójdzie nie tak, na przykład w przypadku problemów ze zdrowiem psychicznym – powiedziała Mala Murthy z Princeton University.
Źródło: Science, Nature, UK Research and Innovation, fot. Tyler Sloan for FlyWire, Princeton University