zhrnutie: Výskumníci odhalili najkomplexnejšiu neurónovú sieť nervovej šnúry dospelej ovocnej mušky, ktorá je podobná ľudskej mieche, a poskytuje tak výnimočný zdroj pre vedeckú komunitu.

Neurónová sieť, ktorú tvorí asi 23 000 neurónov, odhaľuje komplexnú sieť, ktorá riadi motorické funkcie muchy. Z údajov už vyplynuli nové poznatky, ktoré spochybňujú predchádzajúce teórie o leteckej doprave.

Tento úspech nielen zlepšuje pochopenie neurovedy o Drosophila, ale slúži aj ako šablóna pre podobné budúce projekty.

Kľúčové fakty:

1. Nervová šnúra Drosophila obsahuje približne 23 000 neurónov, 10 miliónov presynaptických miest a 74 miliónov postsynaptických hustôt.
2. Je to doteraz najhlbšia a najkompletnejšia neurónová sieť dospelých nervových povrazov Drosophila.
3. Neurónová sieť už odhalila, že niektoré spôsoby správania zahŕňajúce rovnaké svaly využívajú predmotorické mikroobvody, čo je v rozpore s existujúcimi teóriami.

zdroj: Výskumný areál Janelia

Už tento rok vedci zverejnili schému zapojenia mozgu larvy ovocnej mušky. Neurónové spojenia mozgu dospelej muchy a optického laloku sa očakávajú v roku 2023, pričom celá neurónová sieť dospelých muchy bude čoskoro dokončená.

6. júna vedci a spolupracovníci z Janelia v USA a Spojenom kráľovstve pridali ďalší kúsok do skladačky neurónovej siete s odhalením schémy zapojenia nervovej šnúry dospelého muža, nazvanej MANC.

Neurónová sieť, spoločné úsilie Janeliin projektový tím FlyEM a spolupracovníkov, je podrobne opísaný v predchádzajúcich publikáciách o bioRxiv a je voľne dostupný výskumníkom na celom svete prostredníctvom spoločnosti Janelia. stránky.

S približne 23 000 neurónmi, 10 miliónmi presynaptických miest a 74 miliónmi postsynaptických hustôt je MANC najhlbšou a najkompletnejšou neurónovou sieťou nervovej šnúry dospelej vrtule – podobnej štruktúry ako ľudská miecha, ktorá ovláda väčšinu to. motorických funkcií muchy.

Bezprecedentné detaily na tejto mape neurónov a ich spojení pomôžu vedcom zistiť, ako mucha pohybuje nohami alebo máva krídlami.

Ak by bolo 23 000 neurónov, ktoré tvoria neurónovú sieť MANC, umiestnených medzi koncovými bodmi, zaberali by asi 44 metrov.

Predtlače vydané spolu s údajmi o neurónovej sieti opisujú rôzne typy buniek, ich pôvod a spojenia a biologické poznatky, ktoré sa začínajú objavovať z údajov. Drosophila je hlavný organizmus, ktorý neurovedci používajú na skúmanie toho, ako funguje nervový systém, takže existencia neurónových sietí je rozhodujúca pre odhalenie toho, ako bunky spolupracujú, aby umožnili správanie.

„Akonáhle uvidíte kompletnú sieť, môžete začať klásť veľké organizačné otázky,“ hovorí Gwyneth Cardová, vyšetrovateľka HHMI na Zuckermanovom inštitúte Kolumbijskej univerzity a bývalá vedúca skupiny Janelia, ktorá pomáhala viesť projekt.

MANC a ďalšie neurónové siete, ktoré boli spustené, idú v stopách polovičnej neurónovej siete, ktorú vydali vedci Janelia v roku 2020. V tom čase bol hemimozog – časť mozgu dospelej muchy – najväčšou a najkomplexnejšou schémou zapojenia, aká bola kedy dokončená. , čo si mnohí mysleli, je nemožné to dosiahnuť.

Uvoľnenie detskej mozgovej obrny viedlo k ďalšej podpore a záujmu o úsilie neurónovej siete. Vedci teraz dopĺňajú chýbajúce časti jednej polovice mozgu a cieľ zmapovať celý centrálny nervový systém samcov aj samíc ovocných mušiek je na dosah.

„Tento vlak bude pokračovať,“ hovorí Card. „Vidíš len začiatok.“

Konštrukcia MANC

Neurónová sieť MANC bola vytvorená pomocou metód podobných tým, ktoré sa používajú na mapovanie hemisféry, v rámci ktorých Janeliin tím pripravuje vzorku nervovej šnúry a zobrazovanie vrstvu po vrstve plátkov s hrúbkou nanometrov na skenovacích elektrónových mikroskopoch so zaostreným iónovým lúčom. Algoritmy a počítače Google spojili obrázky a urobili prvý krok pri identifikácii neurónov.

Potom sa tím Janelianov a spolupracovníkov pustil do opravy údajov – manuálna snaha zabezpečiť správny tvar a konektivitu neurónov, čo je jedna z časovo najnáročnejších častí procesu. V dôsledku pandémie COVID-19 tím vyvinul softvér, ktorý sa dá spustiť na domácich počítačoch. To spolu s dodatočným financovaním od Wellcome Trust znamená, že medzinárodní spolupracovníci môžu ľahšie pomôcť s týmto úsilím.

„Pretože to bolo úplne skontrolované a môžeme nájsť všetky rovnaké neuróny na pravej a ľavej strane muchy, môžeme povedať kolegom: „Tomuto môžete veriť,“ hovorí Greg Jeffress, neurológ z laboratória molekulárnej biológie MRC. a University of Cambridge a vedúci ďalšieho projektu, ktorého je súčasťou.. Riadiaci výbor projektového tímu FlyEM.

Vedci z Cambridge tiež identifikovali rôzne typy buniek, ktoré sa nachádzajú pozdĺž tela muchy, a kmeňové bunky, z ktorých pochádzajú, čo pomohlo objasniť niektoré organizačné princípy.

„Šnúra ventrálneho nervu je v podstate považovaná za čiernu skrinku,“ hovorí Lisa Marin, výskumná asistentka na University of Cambridge, ktorá viedla úsilie o typizáciu buniek.

Prevažná väčšina neurónov nie je rozpoznaná. Takže veľkou časťou nášho procesu bolo rozdeliť tieto skupiny na menšie skupiny a potom sa pozrieť na spojenie.“

Skúmanie údajov neurónovej siete už začína odhaľovať niekoľko prekvapení. Card a jej tím zistili, že niektoré druhy správania zahŕňajúce rovnaké svaly využívajú predmotorické mikroobvody, nie tie isté obvody, ako sa predtým myslelo.

Jeffress a jeho tím opísali zložité, opakujúce sa obvody, ktoré ovládajú nohy, a prekvapivo zistili, že prepojenia, ktoré nohy koordinujú, sa líšia od súčasných modelov.

Mnoho ďalších poznatkov z MANC sa objaví, keď iní výskumníci začnú skúmať údaje, ku ktorým je možné pristupovať prostredníctvom online nástrojov neuPrint a Clio vyvinutých v spoločnosti Janelia.

„Je zrejmé, že tieto neurónové siete sú veľmi bohaté a je to skutočne len východiskový bod pre pokus pochopiť, ako tento systém funguje,“ hovorí Card. „Chcelo by to celú komunitu ísť do hĺbky, aby sme získali širokú škálu rôznych spôsobov správania, ktoré ľudia študujú v rôznych kontextoch, aby preskúmali túto sieť. Takto budeme internalizovať vyššie princípy.“

Okrem vedeckých poznatkov, ktoré treba získať, projekt slúži aj ako jeden model pre iné skupiny, ktoré sa snažia o neurónové siete.

„Tento druh spolupráce bude absolútne nevyhnutný, keď sa ľudia začnú presúvať do myšacích neurónových sietí a podobných vecí,“ hovorí Lou Scheffer, hlavný vedec v Janelia a člen tímu FlyEM.

„Neexistuje žiadny mysliteľný spôsob, ako by to mohla urobiť každá jednotlivá organizácia, a preto je to prototyp pre tento druh spolupráce.“

množiny údajov: https://www.janelia.org/project-team/flyem/manc-connectome

O tomto výskume v Neuroscience News

autor: karta gwyneth
zdroj: Výskumný areál Janelia
komunikácia: Gwyneth Card – Janelia Research Campus
obrázok: Najlepší obrázok pripísaný Neuroscience News. Obrázok článku pripísaný spoločnosti FlyEM/Janelia Research Campus

Pôvodné vyhľadávanie: Uzavretý prístup.
„Spojka mužského ventrálneho nervového povrazu drozofilyNapísal Shin-ya Takemura a kol. bioRXiv

Uzavretý prístup.
„Systematická anotácia kompletnej neurónovej siete nervovej šnúry Drosophila odhaľuje princípy funkčnej organizácieAutor Elizabeth C. Marin a kol. bioRXiv

Súhrn

Spojka mužského ventrálneho nervového povrazu drozofily

Správanie zvierat je primárne vyjadrené prostredníctvom neuromuskulárnej kontroly. Preto pochopenie toho, ako mozog riadi správanie, vyžaduje mapovanie nervových obvodov až po motorické neuróny.

Predtým sme zaviedli techniku ​​​​na zber rozsiahlych súborov údajov elektrónovej mikroskopie nervového tkaniva a na rekonštrukciu morfológie neurónov a ich chemických synapsií v celom objeme. Pomocou týchto nástrojov sme vytvorili hustú schému zapojenia alebo neurónovú sieť pre veľkú časť našej siete Drosophila centrálny mozog.

U väčšiny zvierat, vrátane muchy, sa však väčšina motorických neurónov nachádza mimo mozgu v nervovom centre bližšie k telu, ako je miecha cicavcov alebo ventrálna nervová šnúra hmyzu (VNC).

V tomto článku rozširujeme naše úsilie o mapovanie správania celých neurónových obvodov vytvorením neurónovej siete z VNC samca muchy.

Súhrn

Systematická anotácia kompletnej neurónovej siete nervovej šnúry Drosophila odhaľuje princípy funkčnej organizácie

Náš sprievodný dokument (Takemura et al., 2023) predstavuje prvú plne korigovanú neurónovú sieť pre nervovú šnúru zvieraťa, ktoré môže chodiť alebo lietať. Základnú neurónovú sieť tvorí morfológia neurónov a spojenia medzi nimi.

Na efektívnu navigáciu a pochopenie tejto neurónovej siete je však potrebné mať systém anotácií, ktoré systematicky klasifikujú a označujú neuróny a spájajú ich s existujúcou literatúrou.

V tomto článku popisujeme komplexnú anotáciu siete VNC, najprv prostredníctvom systému hrubých hierarchických anotácií, potom zoskupením zľava doprava a sekvenčných homogénnych neurónov a nakoniec definovaním bežných typov buniek pre vnútorné neuróny a senzorické neuróny pre VNC; Typujú sa aferentné a motorické neuróny (Cheong et al., 2023).

Mapujeme senzorickú modalitu na viac ako 5 000 senzorických neurónov, zoskupujeme ich kontaktom a identifikujeme sekvenčné homológne typy buniek a viacvrstvovú organizáciu, ktorá pravdepodobne zodpovedá periférnej topografii. Identifikujeme vývojové neuroblasty pôvodu pre veľkú väčšinu neurónov VNC a potvrdzujeme, že (vo väčšine prípadov) všetky sekundárne neuróny každej transkripčnej línie exprimujú jeden neurotransmiter.

Hemline neuroblasty sa opakujú sekvenčne pozdĺž segmentov nervovej šnúry a vo všeobecnosti vykazujú konzistentnú hemisférickú komunikáciu medzi líniami bielizne naprieč neurónmi, čo podporuje predstavu, že dolná línia je kľúčovým regulačným znakom VNC.

Zistili sme tiež, že viac ako tretina jednotlivých neurónov patrila k sekvenčným homozygotným bunkovým typom, čo bolo potrebné na identifikáciu motorických neurónov a senzorických neurónov naprieč neurónmi nôh. Klasifikácia interneurónov podľa ich inervačných vzorcov poskytuje ďalšiu regulačnú os.

Zdá sa, že viac ako polovica vnútorných neurónov vo VNC je pre dve nohy, pričom väčšina je obmedzená na neuróny s jednou nohou; Naopak, inhibičné interneuróny spájajúce rôzne kmeňové neuróny, najmä tie, ktoré prekračujú strednú čiaru, sa zdajú byť zriedkavejšie, ako by predpovedali štandardné modely motorických obvodov.

Anotácie sú zverejnené ako súčasť webovej aplikácie neuprint.janelia.org a slúžia tiež ako základ pre programovú analýzu neurónovej siete pomocou vlastných nástrojov, ktoré popisujeme v tomto článku.