Повна карта нервової системи самця дрозофіли: 166 691 нейрон і 125 мільйонів синапсів

Конектом — це не просто зображення мозку, а детальна схема його «проводки»: які нейрони з якими клітинами утворюють контакти. Новий ресурс для дорослого самця Drosophila охоплює центральний мозок, зорові частки й вентральний нервовий ланцюжок в одній безперервній системі. У ньому 166 691 повністю перевірений нейрон, 11 691 анотований тип клітин і 125 млн синаптичних зв’язків. 25

Не лише мозок, а вся з’єднана система

Попередні набори даних уже показали, що побудувати конектом цілого мозку мушки можливо. Наприклад, опублікований конектом мозку дорослої самиці містив 139 255 реконструйованих нейронів і приблизно 50 млн хімічних синапсів. 7

Нова карта самця важлива з двох причин. По-перше, вона більша за кількістю нейронів. По-друге, до неї входить вентральний нервовий ланцюжок — структура, яку часто порівнюють зі спинним мозком, — причому збережено нервове з’єднання в ділянці шиї з мозком. Тепер дослідники можуть простежувати ланцюги від обробки сенсорних сигналів і вищих центрів мозку до шляхів, пов’язаних із рухом та поведінкою, а не розглядати мозок і нервовий ланцюжок як окремі карти. 2

Як величезну реконструкцію перетворили на придатний для науки атлас

Робота стала підсумком майже двох десятиліть досліджень Janelia та партнерів, зокрема Google Research, Лабораторії молекулярної біології MRC і Кембриджського університету.

Її забезпечив не один метод, а поєднання кількох етапів:

• Електронна мікроскопія дала зображення з роздільною здатністю, достатньою для розпізнавання нейронів і їхніх синаптичних контактів. Саме електронна мікроскопія є основою програми FlyEM з картографування нейронів і синапсів у нервовій системі Drosophila. 8
• Обчислення та ШІ допомогли перетворити масив зображень на попередні реконструкції клітин і виконувати роботу в масштабі, недосяжному для суто ручного трасування. Google описує цю співпрацю як десятирічне партнерство, що застосовує обчислювальні методи та ШІ для створення клітинних карт цілих мозків.
• Людська перевірка й анотування довели автоматичні результати до завершеного наукового ресурсу. Дані названо повністю перевіреними та всебічно анотованими — це принципово відрізняє їх від неперевіреної автоматичної реконструкції. 25
• Позначення типів клітин і молекулярні мітки зробили схему зв’язків змістовною для біологічного аналізу. Атлас містить анотації, пов’язані з генами визначення статі fruitless і doublesex. 5

Практичний висновок тут простий: ШІ зробив проєкт здійсненним за масштабом, але саме експертна перевірка зробила карту достатньо надійною для біологічних висновків.

Що дає порівняння самців і самиць

Наявність повної карти ЦНС самця поруч із попереднім конектомом мозку самиці вперше дозволяє безпосередньо зіставляти їх на синаптичному рівні. У центральному мозку дослідники зіставили 7 319 типів клітин: 7 205 виявилися ізоморфними, 114 — диморфними, 262 — специфічними для самців, а 69 — для самиць. 5

Завдяки цьому можна розрізняти дві ситуації, які дослідження поведінки самі по собі часто не відділяють: певна поведінка може залежати або від типу нейронів, наявного лише в однієї статі, або від нейронів, спільних для обох статей, але по-різному з’єднаних. Анотації fruitless і doublesex дають додаткову молекулярну опору для вивчення таких статево-диморфних ланцюгів. 56

Від смаку до рішення їсти

Найбільша цінність карти всієї ЦНС розкривається, коли її поєднують із функціональними експериментами. Робота, що об’єднала повномозковий конектом із кальцієвою візуалізацією, показала: багато нейронів, які на ранньому етапі реагують на смак у субезофагеальній зоні, кодують один смаковий тип. Це стосується як локальних інтернейронів, так і проєкційних нейронів.

Інший конектомний аналіз виявив, що нейрони другого порядку в цій ділянці здебільшого розділені за смаковими модальностями. Натомість нейрони третього порядку ширше проєктуються за межі цієї зони й сильніше перекриваються між модальностями. Така організація може допомагати перетворювати смакові сигнали на рішення, пов’язані з живленням.

Супровідне повідомлення також описує простеження смакових сигналів до рухових шляхів, задіяних у живленні, і можливі маршрути, які могли б пояснювати випереджальне вивільнення інсуліну ще до всмоктування поживних речовин. Це потенційне пояснення на рівні нейронних ланцюгів, а не остаточно встановлений механізм інсулінової сигналізації.

Що це означає для картування більших мозків

Конектом самця дрозофіли пропонує практичну модель для конектоміки: високодетальна візуалізація, масштабована автоматична реконструкція, ретельна перевірка, стандартизовані анотації та інструменти, що дозволяють іншим науковцям шукати й повторно використовувати дані. Ресурс доступний для інтерактивного перегляду та програмного доступу. 1

Втім, це не означає, що повний конектом миші чи людини з’явиться найближчим часом. Великі мозки створюють значно складніші проблеми з об’ємом тканин, зніманням, реконструкцією, зберіганням даних, обчисленнями й контролем якості. Але робота з дрозофілою є суворою перевіркою всього процесу в реальних умовах — процесу, необхідного для майбутніх проєктів у системах, де можна одночасно досліджувати анатомію, активність нейронів і поведінку.

Головне досягнення — не лише рекордна кількість нейронів. Це перевірена й придатна для пошуку карта, яка поєднує мозок і нервовий ланцюжок в одному організмі та дає спільну точку відліку для перевірки того, як нейронні зв’язки формують статево-специфічну поведінку, сенсорні рішення й рух. 25