Kompletna mapa 166 691 neuronów muszki owocowej

Konektom to nie tylko obraz mózgu, lecz komórkowy schemat jego okablowania: zapis tego, które neurony łączą się ze sobą przez synapsy. Nowy zasób dla dorosłego samca Drosophila obejmuje w jednym, ciągłym układzie mózg centralny, płaty wzrokowe oraz brzuszny rdzeń nerwowy — owadzi odpowiednik rdzenia kręgowego. Zawiera 166 691 w pełni zweryfikowanych neuronów, 11 691 opisanych typów komórek i 125 mln połączeń synaptycznych. 25

Pełny układ nerwowy, a nie osobne mapy

Wcześniejsze zbiory danych pokazały, że można odtworzyć konektom całego mózgu muchy. Opublikowany konektom dorosłej samicy obejmował 139 255 neuronów i około 50 mln synaps chemicznych. 7

Mapa samca poszerza ten zakres na dwa istotne sposoby. Po pierwsze, zawiera więcej neuronów. Po drugie, obejmuje brzuszny rdzeń nerwowy, zachowując nienaruszone połączenie szyjne między nim a mózgiem. Badacze mogą więc śledzić obwody od przetwarzania sygnałów zmysłowych i ośrodków wyższego rzędu aż do szlaków związanych z ruchem i zachowaniem, zamiast analizować mózg oraz rdzeń nerwowy jako niezależne mapy. 2

Jak powstała mapa na taką skalę

To efekt niemal dwóch dekad pracy zespołów z Janelia i ich współpracowników, w tym badaczy z Google Research, MRC Laboratory of Molecular Biology oraz University of Cambridge.

Nie wystarczyła jedna technologia. Potrzebny był połączony proces obejmujący:

• Mikroskopię elektronową — dostarczyła obrazy o rozdzielczości pozwalającej rozpoznać neurony i ich połączenia synaptyczne. Program FlyEM wykorzystuje EM jako podstawę mapowania neuronów i synaps w układzie nerwowym Drosophila. 8
• Obliczenia wspierane przez AI — pomogły przekształcać dane obrazowe we wstępne rekonstrukcje komórek i umożliwiły pracę w skali niedostępnej dla samego ręcznego śledzenia. Google opisuje tę współpracę jako trwające dekadę partnerstwo wykorzystujące obliczenia i sztuczną inteligencję do budowy map całych mózgów w skali komórkowej.
• Ludzką weryfikację i anotację — to one zmieniły wynik automatycznych obliczeń w gotowy zasób naukowy. Końcowy zbiór określono jako w pełni zweryfikowany i kompleksowo opisany, co zasadniczo odróżnia go od niezweryfikowanej rekonstrukcji automatycznej. 25
• Oznaczanie typów komórek i cech molekularnych — dzięki temu schemat połączeń można biologicznie interpretować. Atlas zawiera między innymi anotacje związane z genami determinacji płci fruitless i doublesex. 5

Najważniejszy wniosek jest prosty: AI uczyniła projekt wykonalnym w tej skali, ale to ekspercka kontrola nadała mapie wiarygodność potrzebną do stawiania pytań biologicznych.

Co pokazuje porównanie samca i samicy

Zestawienie pełnej mapy męskiego OUN z wcześniejszym konektomem mózgu samicy pozwala porównywać układy nerwowe w rozdzielczości pojedynczych synaps. W mózgu centralnym dopasowano między płciami 7319 typów komórek: 7205 było izomorficznych, 114 dymorficznych, 262 występowały wyłącznie u samców, a 69 wyłącznie u samic. 5

Daje to badaczom sposób na rozróżnienie dwóch wyjaśnień zachowania, których same eksperymenty behawioralne często nie potrafią oddzielić. Dane zachowanie może wynikać z neuronu obecnego tylko u jednej płci albo z neuronu występującego u obu płci, lecz inaczej połączonego z resztą sieci. Anotacje fruitless i doublesex stanowią dodatkowy punkt odniesienia molekularnego podczas badania obwodów dymorficznych płciowo. 56

Od smaku do decyzji o jedzeniu

Największa wartość mapy całego OUN ujawnia się, gdy łączy się ją z eksperymentami funkcjonalnymi. Badania zestawiające konektom całego mózgu z obrazowaniem wapniowym wykazały, że wiele neuronów reagujących na smak na wczesnym etapie przetwarzania, w strefie podprzełykowej, koduje pojedynczą modalność smakową. Dotyczy to zarówno lokalnych interneuronów, jak i neuronów projekcyjnych.

Powiązana analiza konektomiczna wykazała, że neurony smakowe drugiego rzędu są w tym obszarze w dużej mierze rozdzielone według modalności smaku. Neurony trzeciego rzędu wysyłają projekcje szerzej, poza tę strefę, i silniej nakładają się między modalnościami. Taka organizacja może pomagać przekształcać sygnały smakowe w decyzje związane z pobieraniem pokarmu.

W towarzyszącym opracowaniu opisano też prześledzenie sygnałów smakowych aż do szlaków ruchowych związanych z jedzeniem oraz wskazano drogi, które mogłyby wyjaśniać wyprzedzające uwalnianie insuliny, zanim składniki odżywcze zostaną wchłonięte. Dostępne relacje wspierają to jako możliwe wyjaśnienie na poziomie obwodów, a nie jako definitywnie ustalony mechanizm sygnalizacji insulinowej.

Wzorzec dla przyszłej konektomiki — ale nie skrót do mapy człowieka

Konektom samca muszki owocowej pokazuje praktyczny model pracy: obrazowanie o wysokiej rozdzielczości, skalowalną automatyczną rekonstrukcję, rygorystyczną weryfikację, ujednolicone anotacje oraz narzędzia pozwalające innym naukowcom przeszukiwać i wykorzystywać dane. Zasób jest dostępny do interaktywnej eksploracji i zapytań programistycznych. 1

Nie oznacza to jednak, że kompletny konektom myszy lub człowieka jest tuż za rogiem. Większe mózgi stawiają znacznie trudniejsze problemy dotyczące objętości tkanki, obrazowania, rekonstrukcji, przechowywania danych, mocy obliczeniowej i kontroli jakości. Praca na muszce jest jednak wymagającym testem rzeczywistego procesu potrzebnego w przyszłych projektach — zwłaszcza w systemach, w których można badać jednocześnie anatomię, aktywność neuronów i zachowanie.

Trwałe znaczenie tego osiągnięcia nie sprowadza się więc do rekordowej liczby neuronów. To zweryfikowana i przeszukiwalna mapa, która w jednym osobniku łączy mózg z rdzeniem nerwowym i daje wspólny punkt odniesienia do testowania, jak układ połączeń nerwowych prowadzi do zachowań zależnych od płci, decyzji zmysłowych i ruchu. 25