Как составить карту мозга мухи за 20 миллионов простых шагов

Мозг плодовой мушки размером с маковое зернышко, и его так же легко не заметить.

"Большинство людей, я думаю, даже не думают о том, что у мухи есть мозг", - говорит Вивек Джаяраман, нейробиолог из исследовательского центра Janelia Research Campus Медицинского института Говарда Хьюза в Вирджинии. "Но, конечно, мухи ведут довольно насыщенную жизнь".

Мухи способны к сложному поведению, включая навигацию по разнообразным ландшафтам, борьбу с соперниками и исполнение серенад потенциальным товарищам. А их мозг размером с мушку чрезвычайно сложен, в нем насчитывается около 100 000 нейронов и десятки миллионов связей, или синапсов, между ними.

С 2014 года группа ученых из Janelia в сотрудничестве с исследователями из Google занимается картированием этих нейронов и синапсов, пытаясь создать полную электрическую схему, также известную как коннектома, мозга плодовой мушки.

Эта работа, которая продолжается, требует много времени и средств, даже с использованием современных алгоритмов машинного обучения. Но данные, которые они уже обнародовали, поражают своей детализацией, составляя атлас десятков тысяч сплетенных нейронов во многих важнейших областях мозга мухи.

И теперь, в огромной новой работе, опубликованной во вторник в журнале eLife, неврологи начинают показывать, что они могут сделать с этими данными.

Анализируя коннектомы лишь небольшой части мозга мухи - центрального комплекса, который играет важную роль в навигации, - доктор Джаяраман и его коллеги выявили десятки новых типов нейронов и определили нейронные цепи, которые, по-видимому, помогают мухам ориентироваться в мире. Эта работа в конечном итоге может помочь понять, как мозг всех видов животных, включая наш собственный, обрабатывает поток сенсорной информации и преобразует ее в соответствующие действия.

Это также является принципиальным доказательством для молодой области современной коннектомики, которая была построена на обещании, что построение подробных схем проводки мозга принесет научные дивиденды.

"Это действительно необычно", - сказал о новой работе доктор Клэй Рид, старший исследователь Института Аллена по изучению мозга в Сиэтле. "Я думаю, что любой, кто посмотрит на нее, скажет, что коннектомика - это инструмент, который нам нужен в нейронауке - с полной отдачей".

'Ваш мушиный мозг приготовлен'

Единственный полный коннектомом в животном царстве принадлежит скромному круглому червю C. elegans. Биолог-первопроходец Сидней Бреннер, который впоследствии стал лауреатом Нобелевской премии, начал этот проект в 1960-х годах. Его небольшая команда потратила на него годы, используя цветные ручки, чтобы вручную прорисовать все 302 нейрона.

"Бреннер понял, что для понимания нервной системы необходимо знать ее структуру", - говорит Скотт Эммонс, нейробиолог и генетик из Медицинского колледжа Альберта Эйнштейна, который позже использовал цифровые технологии для создания новых коннектомов C. elegans. "И это верно для всей биологии. Структура очень важна".

Бреннер и его коллеги опубликовали свою эпохальную работу объемом 340 страниц в 1986 году.

Но современная коннектомика начала развиваться только в 2000-х годах, когда благодаря достижениям в области визуализации и вычислительной техники стало возможным картировать связи в больших мозгах. В последние годы исследовательские группы по всему миру начали собирать коннектомы зебрафиш, певчих птиц, мышей, людей и других животных.

Когда в 2006 году открылся исследовательский кампус Janelia Research Campus, Джеральд Рубин, его директор-основатель, остановил свой выбор на плодовой мушке. "Я не хочу обидеть никого из моих коллег-червяков, но я думаю, что мухи - это простейший мозг, который на самом деле выполняет интересное, сложное поведение", - говорит доктор Рубин.

За прошедшие годы несколько различных групп в Janelia приступили к реализации проектов по изучению коннектома мухи, но работа, которая привела к появлению новой статьи, началась в 2014 году с мозга одной пятидневной самки плодовой мухи.

Исследователи разрезали мозг мухи на пластины, а затем использовали метод, известный как сканирующая электронная микроскопия с фокусированным ионным пучком, чтобы получить их изображение, слой за слоем. Микроскоп, по сути, работал как очень крошечная, очень точная пилка для ногтей, снимая чрезвычайно тонкий слой мозга, делая снимок обнаженной ткани, а затем повторяя процесс до тех пор, пока ничего не останется.

"Вы одновременно получаете изображение и отрезаете маленькие кусочки мозга мухи, так что после окончания работы их не существует", - сказал доктор Джаяраман. "Так что если вы что-то испортите, вам конец. Ваш гусь приготовлен - или мозг мухи приготовлен".

Затем команда использовала программное обеспечение компьютерного зрения, чтобы сшить миллионы полученных изображений в единый трехмерный объем, и отправила его в Google. Там исследователи использовали передовые алгоритмы машинного обучения, чтобы определить каждый отдельный нейрон и проследить его извилистые ответвления.

Наконец, команда Janelia использовала дополнительные вычислительные инструменты для точного определения синапсов, а люди проверяли работу компьютеров, исправляя ошибки и уточняя электрические схемы.

В прошлом году исследователи опубликовали коннектомы для так называемого "гемимозга", большой части центрального мозга мухи, которая включает в себя области и структуры, имеющие решающее значение для сна, обучения и навигации.

Коннектома, которая доступна бесплатно в Интернете, включает около 25 000 нейронов и 20 миллионов синапсов, что намного больше, чем коннектома C. elegans.

"Это значительное увеличение масштаба", - говорит Кори Баргманн, нейробиолог из Университета Рокфеллера в Нью-Йорке. "Это огромный шаг к достижению цели - изучению связности мозга".

Добро пожаловать на ориентацию

Когда коннектома гемимозга была готова, доктор Джаяраман, эксперт по неврологии навигации мух, с нетерпением ждал возможности погрузиться в данные по центральному комплексу.

Эта область мозга, которая содержит почти 3 000 нейронов и присутствует у всех насекомых, помогает мухам построить внутреннюю модель их пространственного отношения к миру, а затем выбрать и выполнить поведение, соответствующее обстоятельствам, например, поиск пищи, когда они голодны.

"Вы хотите сказать, что можете дать мне электрическую схему для чего-то подобного?" сказал доктор Джаяраман. "Это лучший промышленный шпионаж, чем тот, который можно получить, изучая Apple iPhone".

Он и его коллеги проанализировали данные коннектома, изучая, как нейронные цепи региона были собраны вместе.

Например, Ханна Хаберкерн, постдокторант в лаборатории доктора Джаярамана, проанализировала нейроны, посылающие сенсорную информацию в эллипсоидное тело, структуру в форме пончика, которая действует как внутренний компас мухи.

Доктор Хаберкерн обнаружил, что нейроны, передающие информацию о поляризации света - глобальной экологической подсказке, которую многие животные используют для навигации, - имеют больше связей с нейронами компаса, чем нейроны, передающие информацию о других визуальных особенностях и ориентирах.

Нейроны, отвечающие за поляризацию света, также связаны с клетками мозга, передающими информацию о других навигационных сигналах, и способны сильно тормозить их.

Исследователи предполагают, что мозг мухи может быть подключен к приоритетной информации о глобальном окружении, когда они ориентируются, но также эти схемы являются гибкими, поэтому, когда такой информации недостаточно, они могут уделять больше внимания местным особенностям ландшафта. "У них есть все эти запасные стратегии", - сказал доктор Хаберкерн.
Домашний телефон плодовой мухи

Другие члены исследовательской группы определили конкретные нейронные пути, которые, по-видимому, хорошо подходят для того, чтобы помочь мухе следить за ориентацией головы и тела, предвидеть свою будущую ориентацию и направление движения, рассчитать текущую ориентацию относительно другого желаемого места и затем двигаться в этом направлении.

Представьте, например, что голодная муха на время бросает гниющий банан, чтобы посмотреть, сможет ли она найти что-нибудь получше. Но после (буквально) бесплодных нескольких минут поисков она хочет вернуться к своей прежней еде.

Данные коннектома позволяют предположить, что определенные клетки мозга, технически известные как нейроны PFL3, помогают мухе совершить этот маневр. Эти нейроны получают два важных сигнала: Они получают сигналы от нейронов, отслеживающих направление, в котором движется муха, а также от нейронов, которые, возможно, следят за направлением движения банана.

Получив эти сигналы, нейроны PFL3 затем посылают свои собственные сообщения на набор поворотных нейронов, которые побуждают муху свернуть в нужном направлении. Обед снова подан.

"Возможность проследить эту активность через эту цепь - от сенсорной к моторной через эту сложную промежуточную цепь - действительно удивительна", - сказал Брэд Халс, научный сотрудник лаборатории доктора Джаярамана, который руководил этой частью анализа. Коннектома, - добавил он, - показала нам гораздо больше, чем мы думали".

И статья группы - черновой вариант которой включает 75 рисунков и занимает 360 страниц - это только начало.

"Это действительно дает нам основу для дальнейшего изучения этой области мозга", - сказал Стэнли Хайнце, эксперт по неврологии насекомых из Лундского университета в Швеции. "Это просто впечатляет".

И просто огромное. "Я бы не стал рассматривать его как статью, а скорее как книгу", - сказал д-р Хайнце.

По словам д-ра Джаярамана, статья настолько велика, что сервер препринтов bioRxiv сначала отказался ее публиковать, возможно, потому, что администраторы - по понятным причинам - решили, что это книга. (В конечном итоге сервер все же опубликовал исследование, но после нескольких дополнительных дней обработки, отметил он).

Публикация работы в журнале eLife "потребовала некоторых специальных разрешений и переписки с редакцией", - добавил д-р Джаяраман.
Уроки полета

Существуют ограничения на то, что может показать снимок одного мозга в один момент времени, и коннектомы не могут охватить все, что представляет интерес в мозге животных. (Например, в коннектоме гемимозга Janelia отсутствуют глиальные клетки, которые выполняют всевозможные важные задачи в мозге).

Д-р Джаяраман и его коллеги подчеркивают, что они не смогли бы сделать столько выводов из коннектома, если бы не десятилетия предшествующих исследований, проведенных многими другими учеными в области поведения плодовых мушек, базовой физиологии и функционирования нейронов, а также теоретических работ в области нейронаук.

Но электрические схемы могут помочь исследователям изучить существующие теории и создать лучшие гипотезы, понять, какие вопросы задавать и какие эксперименты проводить.

"Теперь мы с нетерпением ждем того, чтобы взять эти идеи, навеянные коннектомом, и вернуться к микроскопу, вернуться к нашим электродам, записать мозг и посмотреть, верны ли эти идеи", - говорит доктор Халс.

Конечно, можно спросить - и некоторые уже спрашивают - почему схема мозга плодовой мушки имеет значение.

"Меня часто спрашивают об этом на праздниках, - говорит доктор Халс.

Мухи - это не мыши, шимпанзе или люди, но их мозг выполняет некоторые из тех же основных задач. Понимание основных нейронных схем у насекомых может дать важные подсказки о том, как мозг других животных решает подобные задачи, говорит Дэвид Ван Эссен, нейробиолог из Вашингтонского университета в Сент-Луисе.

Глубокое понимание мозга мухи "также дает нам понимание, которое очень важно для понимания мозга и поведения млекопитающих и даже человека", - сказал он.

Создание коннектомов более крупных и сложных мозгов будет чрезвычайно сложной задачей. Мозг мыши содержит около 70 миллионов нейронов, а мозг человека - 86 миллиардов.

Но работа, посвященная центральному комплексу, явно не единична; в настоящее время, по словам д-ра Рида, ведутся детальные исследования региональных коннектомов мыши и человека: "Впереди еще много интересного".

Редакторы журналов, считайте, что вы предупреждены.