Naukowcy odtworzyli wszystkie 54,5 miliona połączeń w mózgu muchy owocowej.

W mózgu pojedynczej muszki owocowej komórki nerwowe splatają się ze sobą, umożliwiając lot, łączenie się w pary, jedzenie, spanie i każdą inną aktywność jej życia. Teraz w dziewięciu artykułach opublikowanych 2 października w czasopiśmie Nature naukowcy przedstawiają pierwszą kompletną mapę jej komórek nerwowych – a dokładniej wszystkich 139 255 – oraz ich 54,5 miliona połączeń.

Ta mapa całego mózgu, kreślona przez lata z niezwykłą precyzją, jest malutka, ale znakomita: zawiera 149,2 metra przewodów neuronowych, a wszystko to jest schludnie upakowane w mózgu wielkości ziarenka maku. W związku z tym mapa pokazuje, w jaki sposób informacje neuronowe mogą przepływać między komórkami Drosophila melanogaster – zwierzęcia prostszego od człowieka, ale na tyle złożonego, że pozostaje tajemnicze dla osób próbujących zrozumieć jego mózg.

„Ta praca jest absolutnie fascynująca” – mówi neurobiolog Olaf Sporns z Uniwersytetu Indiana w Bloomington. W 2005 roku on i jego współpracownicy ukuli termin „konektom”, oznaczający połączenia między komórkami nerwowymi, czyli neuronami (SN: 2/7/14). W ciągu prawie 20 lat od tego czasu naukowiec zmapował więcej konektomów, w tym samców i hermafrodytów robaków C. elegans, larw muszki owocowej, małych kawałków mózgu myszy i człowieka oraz części mózgu dorosłej muszki owocowej (SN: 3/9/23; SN: 8/7/19; SN: 5/23/24). Ten najnowszy konektom muszki owocowej jest największy w swoim rodzaju.

„Kiedy zaczęto zajmować się konektomią, stworzenie mapy takiej jak ta przedstawiona w tej pracy wydawało się niemal science fiction” – mówi Sporns. „A teraz, co zadziwiające, oto jest.”

Projekt obejmował obrazy z mikroskopu elektronowego ponad 7000 cienkich wycinków mózgu samicy muszki owocowej oraz uczenie maszynowe, które ustawiało złożone wąsy neuronów, śledząc komórki przez różne przekroje. Dzięki uczeniu maszynowemu badacze znaleźli się w niewielkiej odległości od całego konektomu. „Ale ludzie nadal muszą poprawiać błędy” – mówi Sven Dorkenwald, neurolog obliczeniowy, który pracował nad projektem na Uniwersytecie Princeton, a obecnie pracuje w Allen Institute for Brain Science i University of Washington w Seattle. Setki osób z ponad 50 laboratoriów sprawdzało mapę ludzkimi oczami, upewniając się, że kształty komórek są takie, jakie się wydają. To była wielka praca, od początku do końca.

„Czy myśleliśmy, że zajmie to tyle czasu, że prawie 20 lat później będziemy mieli konektom muchowy? Prawdopodobnie nie” – mówi Sebastian Seung, neurolog obliczeniowy z Uniwersytetu Princeton. „Ale ludzie nadmiernie optymistyczni napędzają postęp”.

Na początku praca nad mapą konektomu „była czymś sprzecznym” – mówi Seung. „Większość ludzi uważała to za szaleństwo. Były dwa zastrzeżenia. Po pierwsze, nie jest to możliwe, a po drugie, nawet jeśli odniesiesz sukces, dane będą bezużyteczne”.

Ale już dane udowodniły swoją użyteczność, ujawniając szczegóły komórkowe i przydatne wskazówki na temat działania mózgu. Na przykład w całym mózgu muchy znajdują się tylko dwa neurony CT1, z których każdy jest zaangażowany w wykrywanie zmian w świetle i ruchu. Każdy neuron rozciąga się na całe oko i tworzy ogromną liczbę synaps – ponad 148 000, jak pokazuje mapa.

W innej analizie niektóre neurony podzielono na klasy zwane „integratorami”, które odbierają ogromną liczbę wiadomości z innych komórek, lub „nadawcami”, które wysyłają sygnały do ​​dużej grupy odbiorców. Te komórki megafonowe mogą pomóc w rozprzestrzenianiu się sygnałów, ale w sposób selektywny.

Po zmapowaniu konektomu naukowcy zaczęli budować komputerowe modele przepływu informacji w mózgu. „Zaczynasz od połączeń między neuronami i wykorzystujesz je do budowania symulacji sieci” – mówi Seung. „To całkowicie oczywiste podejście, ale nie można tego zrobić, jeśli nie masz konektomu”.

Na przykład jedno nowe badanie pokazuje, w jaki sposób neurony smakowe mogą aktywować inne komórki położone niżej. A to dopiero początek, mówi Seung. „Moim żartem dla entuzjastów science fiction jest to, że w tym eksperymencie trzeba było poświęcić jedną muchę, ale w symulacji ta mucha mogłaby żyć wiecznie”.

Sporns patrzy także w przyszłość: „Przewiduję przyszłość, w której mapy konektomów staną się jeszcze bardziej wszechstronne i szczegółowe, a wkrótce obejmą mózgi kręgowców, takich jak mysz i człowiek” – mówi. Mapy te pomogą odpowiedzieć na ważne pytania dotyczące konektomów mózgowych – czy są one zmienne u poszczególnych osób, czy zmieniają się w czasie i czy mogą pomóc w przewidywaniu zachowań.