Ujawniono pierwszą kompletną mapę każdego neuronu w mózgu

Wyobraź sobie, że patrzysz na złożoną i piękną mapę całego miasta, ale miasto to tak naprawdę mózg. Brzmi świetnie, prawda? Cóż, naukowcy sprawili, że stało się to rzeczywistością.

Eksperci stworzyli pierwszy w historii schemat okablowania, czyli „sieć neuronową”, każdego neuronu w mózgu osoby dorosłej, a także 50 milionów połączeń między nimi, co stanowi kamień milowy w dziedzinie neuronauki.

Kompletny schemat okablowania mózgu

Projekt ten był możliwy dzięki konsorcjum FlyWire, dużej międzynarodowej współpracy skupiającej naukowców z całego świata Laboratorium Biologii Molekularnej MRC W Cambridge, Princeton University, University of Vermont i Princeton University Uniwersytet w Cambridge.

Badania opublikowane w dwóch artykułach w czasopiśmie naturaZawiera pierwszy kompletny diagram połączeń wszystkich 139 255 neuronów w mózgu dorosłej muchy – zwierzęcia zdolnego do chodzenia i widzenia.

W poprzednich badaniach mapowano mniejsze układy mózgowe, takie jak larwa muszki owocowej, która zawiera 3016 neuronów, lub nicienie, które zawierają 302 neurony.

Jednak obecne badanie otwiera nowe możliwości, dostarczając pełnowymiarową mapę neuronową bardziej złożonego organizmu.

Mózgi ludzkie kontra mózgi much

Mapowanie każdego neuronu w mózgu dorosłej muszki owocowej to kluczowy krok w zrozumieniu, jak działają mózgi, w tym nasz własny.

Muszka owocowa ma około 140 000 neuronów, co jest niewielką liczbą w porównaniu z 86 miliardami neuronów w ludzkim mózgu, co znacznie ułatwia badania.

Naukowcy mogą szybko hodować i modyfikować muszki owocowe, co pozwala im manipulować genetyką i sprawdzać, jak zmiany wpływają na obwody nerwowe i zachowanie.

Ta prostota pomaga badaczom odkryć podstawowe zasady funkcjonowania mózgu bez pogrążania się w zbyt dużej złożoności.

Mapy mózgu zapewniają wgląd w ludzki mózg

Co ciekawe, wiele procesów biologicznych zachodzących u muszek owocowych jest bardzo podobnych do tych zachodzących u ludzi. Geny i ścieżki kontrolujące rozwój mózgu, połączenia neuronowe i uczenie się są często zachowane u różnych gatunków.

Mapując mózg muszki owocowej, naukowcy mogą dowiedzieć się, jak te procesy działają w prostszym systemie, a następnie zastosować te spostrzeżenia w bardziej złożonych mózgach.

Ponadto zrozumienie sposobu komunikowania się neuronów u much ujawnia ogólne wzorce organizacji i zachowania obwodów nerwowych, co może pomóc nam zrozumieć ludzkie zachowania i funkcje poznawcze.

Wreszcie narzędzia i techniki opracowane w celu mapowania mózgu Drosophila utorowały drogę do przełomowych badań w dziedzinie neurologii. Innowacje w obrazowaniu, manipulacji genetycznej i analizie danych z badań Drosophila można dostosować do badania bardziej złożonych mózgów, w tym naszego własnego.

Spostrzeżenia uzyskane od muszek owocowych mogą również pomóc w modelowaniu chorób neurologicznych i zaburzeń rozwojowych, co doprowadzi do potencjalnych metod leczenia ludzi.

Trwające badania w dziedzinie neurologii

Odkrycia dostarczają cennych informacji na temat struktury i funkcji mózgu, stanowiąc istotne porównanie z trwającymi badaniami z zakresu neurologii.

„Jeśli chcemy zrozumieć, jak działa mózg, potrzebujemy mechanistycznego zrozumienia tego, jak wszystkie neurony łączą się ze sobą i pozwalają myśleć. W przypadku większości mózgów nie mamy pojęcia, jak działają te sieci.

Szczegółowa mapa mózgu muchy może odpowiedzieć na wiele z tych pytań i ujawnić złożoność obwodów neuronowych.

Podobieństwa w okablowaniu mózgu

Jednym z najbardziej godnych uwagi wniosków z badania jest silne podobieństwo powiązań między obecną mapą a poprzednimi pracami na mniejszą skalę.

Doprowadziło to do wniosku, że poszczególne mózgi mają wspólne podobieństwa w okablowaniu, wbrew przekonaniu, że każdy mózg jest unikalną strukturą.

Podróż z mapowaniem mózgu

Droga do tego wyczynu polegała na pocięciu całego mózgu muchy, który ma mniej niż milimetr szerokości, na 7000 cienkich plasterków.

Następnie skrawki te dokładnie zbadano za pomocą mikroskopu elektronowego o wysokiej rozdzielczości, aby wyodrębnić kształty około 140 000 neuronów i 50 milionów połączeń między nimi.

Siła sztucznej inteligencji

Zadanie analizy tak ogromnej ilości danych jest możliwe dzięki uczeniu maszynowemu, co pokazuje potencjał technologii sztucznej inteligencji do zrewolucjonizowania neuronauki.

Zapewnienie dokładności danych wymaga szacunkowo 33 lat pracy weryfikacyjnej. Pomimo wyzwań wyniki tego rygorystycznego przedsięwzięcia utorowały drogę przyszłym odkryciom w neurobiologii.

Oprócz prostego ustanowienia połączeń neuronowych badacze uwzględnili także wiele szczegółów schematu okablowania, takich jak klasyfikacja ponad 8000 typów komórek w mózgu.

„Ten zbiór danych przypomina trochę Mapy Google, ale dotyczy mózgu: początkowy diagram połączeń między neuronami jest jak wiedza, które struktury na zdjęciach satelitarnych Ziemi odpowiadają danym ulicom i budynkom” – wyjaśnił dr Philipp Schlegel, pierwszy autor jednego z nich studia. studia.

Symulowanie funkcji mózgu

Praca badaczy wykracza poza samo mapowanie. Wykorzystali także technologię skanowania obrazu AI, aby przewidzieć, czy każda synapsa ma charakter hamujący czy pobudzający, co stanowi ważny aspekt cyfrowej symulacji mózgu.

„Korzystając z naszych danych, które udostępniliśmy w Internecie podczas naszej pracy, inni naukowcy zaczęli już próbować naśladować sposób, w jaki mózg muchy reaguje na świat zewnętrzny” – powiedziała dr Jeffress.

„To ważny początek, ale będziemy musieli zebrać wiele różnych typów danych, aby stworzyć wiarygodną symulację działania mózgu”.

Przyszłe kierunki badań

Badania te niewątpliwie zrewolucjonizowały naszą wiedzę o mózgu, ale podróż jeszcze się nie skończyła. W miarę postępów przyszłe badania będą badać różnice w architekturze neuronowej między mózgami samców i samic muszek.

„Kompleksowość naszego schematu okablowania przynosi ogromne korzyści w badaniach mózgu i umożliwia prowadzenie wielu rodzajów badań, które wcześniej nie były możliwe przy użyciu schematów okablowania części mózgu muchy” – zauważyli naukowcy.

Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie natura.

—–

Podoba Ci się to, co przeczytałem? Zapisz się do naszego newslettera, aby otrzymywać ciekawe artykuły, ekskluzywne treści i najnowsze aktualizacje.

Odwiedź nas w EarthSnap, bezpłatnej aplikacji udostępnionej przez Erica Rallsa i Earth.com.

—–