Как учёные составили карту каждого нейрона в центральной нервной системе самца дрозофилы

Коннектом — это не просто изображение мозга, а клеточная схема его проводки: карта того, какие нейроны соединены друг с другом. Новый ресурс для взрослого самца Drosophila охватывает центральный мозг, зрительные доли и брюшную нервную цепочку как единую непрерывную систему. В нём 166 691 полностью проверенный нейрон, 11 691 аннотированный тип клеток и 125 миллионов синаптических соединений. 25

Главное достижение: нервная система на одной карте

Предыдущие наборы данных уже показали, что создать коннектом мозга мухи возможно. Например, опубликованный коннектом мозга взрослой самки включал 139 255 реконструированных нейронов и около 50 миллионов химических синапсов. 7

Мужской набор данных важен по двум причинам. Во-первых, он больше по числу нейронов. Во-вторых, в него включена брюшная нервная цепочка — у насекомых её часто сопоставляют со спинным мозгом, — причём сохранено соединение через шею с мозгом. Поэтому исследователи могут прослеживать цепи от обработки ощущений и высших центров мозга до путей, связанных с движением и поведением, не рассматривая мозг и нервную цепочку как разрозненные карты. 2

Как огромную реконструкцию сделали пригодной для науки

Работа стала итогом почти двух десятилетий исследований в Janelia и у партнёров, включая Google Research, Лабораторию молекулярной биологии MRC и Кембриджский университет.

Проект стал возможен не благодаря одному методу, а благодаря целому производственному циклу:

• Электронная микроскопия дала изображения с детализацией, достаточной для различения нейронов и их синаптических контактов. Программа FlyEM использует ЭМ как основу для картирования нейронов и синапсов во всей нервной системе Drosophila. 8
• Вычислительные методы с ИИ помогли превратить массив изображений в предварительные реконструкции клеток и вывести задачу на масштаб, недостижимый при одном лишь ручном трассировании. Google характеризует это как десятилетнее партнёрство по созданию клеточных карт целых мозгов с помощью вычислений и ИИ.
• Ручная проверка и аннотирование превратили вычислительный результат в законченный научный ресурс. Итоговый набор описан как полностью проверенный и всесторонне аннотированный — это принципиально отличает его от непроверенной автоматической реконструкции. 25
• Разметка типов клеток и молекулярных признаков сделала схему проводки биологически интерпретируемой. Атлас включает аннотации, связанные с генами половой дифференцировки fruitless и doublesex. 5

Практический вывод прост: ИИ сделал такой масштаб выполнимым, но именно экспертная проверка сделала карту достаточно надёжной для биологических исследований.

Что даст сравнение самцов и самок

Полная карта ЦНС самца вместе с ранее опубликованным коннектомом мозга самки позволяет напрямую сопоставлять их с синаптическим разрешением. В центральном мозге авторы сопоставили 7 319 типов клеток: 7 205 оказались изоморфными, 114 — диморфными; также выявлены 262 типа, специфичных для самцов, и 69 — для самок. 5

Это даёт возможность разделить два объяснения поведенческих различий, которые трудно отличить, наблюдая лишь поведение. Оно может зависеть либо от типа нейронов, встречающегося только у одного пола, либо от клеток, присутствующих у обоих полов, но по-разному включённых в сеть. Аннотации fruitless и doublesex дают дополнительную молекулярную опору для изучения цепей с половым диморфизмом. 56

От вкуса к решению есть

Ценность карты всей ЦНС особенно заметна, когда её объединяют с функциональными экспериментами. В работе, совместившей полную карту мозга с кальциевой визуализацией, выяснилось, что многие нейроны ранней обработки вкуса в субэзофагеальной зоне кодируют один вкусовой модус. К ним относятся и локальные интернейроны, и проекционные нейроны.

Связанный коннектомный анализ показал, что нейроны второго порядка в этой области в основном разделены по вкусовым модусам. Нейроны третьего порядка выходят за её пределы и сильнее перекрываются между модусами; такая организация может помогать преобразовывать вкусовой сигнал в решения, связанные с кормлением.

В сопутствующем сообщении также описано прослеживание вкусовых сигналов до двигательных путей, управляющих кормлением, и предложены маршруты, которые могли бы объяснить опережающее высвобождение инсулина ещё до усвоения питательных веществ. Это возможное объяснение на уровне нейронных цепей, а не окончательно установленный механизм передачи инсулинового сигнала.

Что эта карта означает — и не означает — для больших мозгов

Коннектом самца дрозофилы предлагает практическую модель для коннектомики: визуализация высокого разрешения, масштабируемая автоматическая реконструкция, строгая вычитка, стандартизированные аннотации и инструменты, позволяющие другим учёным исследовать и повторно использовать данные. Ресурс доступен для интерактивного просмотра и программного доступа. 1

Но это не означает, что полный коннектом мыши или человека появится в ближайшее время. У более крупных мозгов гораздо сложнее задачи по объёму ткани, получению изображений, реконструкции, хранению данных, вычислениям и контролю качества. Тем не менее работа с мухой стала строгой проверкой всей технологической цепочки, необходимой для будущих проектов, в которых можно изучать вместе анатомию, нервную активность и поведение.

Главное достижение для нейронауки — не только рекордное число нейронов. Это проверенная и доступная для поиска карта, которая объединяет мозг и нервную цепочку одного животного и создаёт общую точку отсчёта для проверки того, как нейронная проводка формирует полоспецифичное поведение, сенсорные решения и движение. 25