Представлена полная карта мозговых цепей плодовой мушки

Каким образом электрические импульсы, перемещающиеся по сплетению нейронов, управляют сложным поведением? Исследователи, ищущие ответ, реконструировали полную схему электропроводки, или коннектом, мозга взрослой плодовой мушки — подвиг, сродни картированию всех зданий, проспектов и улиц в сложном городе. 

Всеобъемлющая карта продвинет исследования нейронной активности, лежащей в основе фундаментальных процессов, таких как ходьба и зрение у Drosophila melanogaster , вида насекомых, широко используемых в качестве модельного организма. Нейробиологи приветствуют это достижение, опубликованное в пакете из девяти статей в Nature, как веху, которая подтолкнет другие, более амбициозные проекты по коннектому у данио-рерио, мышей и даже людей.

Когда ученые завершают коннектом животного — подвиг, впервые достигнутый для нематоды Caenorhabditis elegans десятилетия назад — «внезапно уровень понимания оказывается намного дальше всего, что было раньше», — говорит Альберт Кардона, нейробиолог из Лаборатории молекулярной биологии Медицинского исследовательского совета, который не принимал участия в проекте. «Существует коннектом до и после — BC и AC», — говорит он, ссылаясь на известную цитату теоретика-нейробиолога Колумбийского университета Ларри Эбботта. Кардона говорит, что теперь исследователи наконец могут понять, как работают у мухи такие базовые функции, как зрение и обоняние, а также исследовать более сложные формы поведения, такие как навигация и принятие решений. «Это конец начала» для нейробиологов, изучающих мух, говорит он.

С момента публикации 302-нейронного коннектома C. elegans в 1986 году исследователи создали частичные коннектомы для мозга мухи, мыши и человека. Кардона и его команда опубликовали коннектом личинки D. melanogaster в прошлом году. Но это первый полный коннектом взрослого организма за десятилетия.

Работа началась в 2018 году, когда исследователи из исследовательского кампуса Janelia Медицинского института Говарда Хьюза получили изображение мозга самки мухи с нанометровым разрешением с помощью электронной микроскопии и сделали его общедоступным. Нейробиолог, изучающий мух, Мала Мурти и вычислительный нейробиолог Себастьян Сен из Принстонского института нейронауки придумали использовать эти изображения для идентификации и картирования связей между каждым видимым нейроном, создавая коннектом. «Но это казалось действительно нелепым», — говорит Мурти. «Это был просто слишком большой продукт. Никто не делал карту в таком масштабе».

Вид искусственного интеллекта (ИИ), известный как машинное обучение, может помочь превратить данные визуализации в 3D-реконструкции каждого нейрона и его синапсов, связей с другими нейронами. Но алгоритмы, на которых он работает, допускают ошибки, поэтому реконструкции необходимо исправлять вручную. Чтобы достичь этого подвига, Мурти и Сын сформировали консорциум FlyWire , группу лабораторий, в основном в Соединенных Штатах и Европе, частично финансируемую инициативой BRAIN (Исследования мозга через продвижение инновационных нейротехнологий) Национального института здравоохранения США. В 2022 году они создали онлайн-платформу, чтобы позволить сотням добровольцев-неспециалистов вручную проверять реконструкции и классифицировать каждый нейрон. По оценкам группы, на эту задачу у одного человека ушло бы 33 года работы в одиночку. «Такого рода обмен данными ... беспрецедентен», — говорит Мурти.

Окончательная карта отображает 149 метров проводов, упакованных в мозг размером с песчинку . Она также включает 54,5 миллиона синапсов среди примерно 140 000 нейронов, которые команда классифицировала в более чем 8400 типов , многие из которых были недавно идентифицированы.

«Это достижение не просто замечательное, оно выдающееся», — говорит Мориц Хельмштедтер, нейробиолог из Института исследований мозга Макса Планка, который не принимал участия в проекте. Полнота коннектома, добавляет он, имеет ключевое значение: исследователи, которые обнаруживают интересное поведение в экспериментах с мухами, теперь могут обратиться к коннектому за его основой. «Вокруг этого есть забор», — говорит он о наборе данных, «и нет объяснения возможностей соединения за пределами этого сада прекрасных нейронов».

В других статьях пакета исследователи дают представление о том, как коннектом мухи может быть использован для ответа на исследовательские вопросы. Например, одна группа смогла определить две различные нейронные цепи, которые муха использует для остановки ходьбы в различных контекстах — когда она останавливается во время еды и когда она останавливается, чтобы привести себя в порядок. Другая группа использовала данные для создания вычислительной модели, которая правильно предсказывала, какие нейроны чувствуют сахар или воду . В третьем исследовании Сен предсказал, какие нейроны являются частью цепи, важной для зрения, на основе проводки зрительной доли мухи.

Поскольку FlyWire сделал данные проекта общедоступными с самого начала, коннектом уже использовался в более чем 50 публикациях. «Иногда, когда вы делаете что-то в науке, никто не обращает внимания. Но иногда люди не только обращают внимание — они фактически используют это для своих собственных исследований, и они благодарны», — говорит Сен. «Это очень приятное чувство».

Этот ресурс стал преобразующим для нейробиолога из Университета Эмори Аниты Девинени, которая написала комментарий к новым статьям в Nature и чья команда использовала коннектом для анализа вкусовых цепей мух. «Десятилетиями мы не знали, что такое вкусовые нейроны в мозге», — говорит она, «И вот, внезапно, за короткий промежуток времени… вы можете это понять». 

Теперь исследователи могут сравнить этот снимок мозга взрослой мухи с коннектомом личинки, чтобы ответить на вопросы о том, что меняется во время развития нервной системы. А чтобы изучить половые различия, Мурти и другие работают над реконструкцией коннектома мозга самца мухи, а также над еще более полным коннектомом, который включает нервную цепь мухи.

Исследователи предсказывают, что технология, разработанная для FlyWire, в частности, интеграция ИИ с краудсорсингом для корректуры, поможет ускорить подобные проекты. Ожидается, что коннектом данио-рерио будет завершен в ближайшие несколько лет. А Хельмштедтер предсказывает, что мозг мыши и человека (примерно в 500 и 600 000 раз больше нейронов, чем у мухи) может появиться после этого: «В следующем десятилетии мы увидим колоссальный прогресс и, возможно, первый полный коннектом мозга млекопитающего».