Come mappare il cervello di una mosca in 20 milioni di semplici passaggi

La dimensione del cervello di un moscerino della frutta è la dimensione di un seme di papavero ed è facile da trascurare.

«Penso che la maggior parte delle persone non pensi nemmeno che la mosca abbia un cervello», ha detto Vivek Jayaraman, neuroscienziato del Janelia Research Campus dell’Howard Hughes Medical Institute in Virginia. «Ma, naturalmente, le mosche vivono vite molto ricche.»

Le mosche sono capaci di comportamenti complessi, inclusa la navigazione in diversi paesaggi, Lotta con i concorrenti Cantare potenziali compagni. E i loro cervelli di dimensioni spot sono molto complessi, contengono circa 100.000 neuroni e… Decine di milioni di connessioni o sinapsi tra di loro.

Dal 2014 collabora con un team di scienziati di Janelia Ricercatori di Google, ha mappato questi neuroni e sinapsi nel tentativo di creare uno schema elettrico completo, noto anche come rete neurale, del cervello di Drosophila.

Il lavoro, che è continuo, richiede tempo e denaro, anche con l’aiuto di moderni algoritmi di apprendimento automatico. Ma i dati rilasciati finora sono sorprendenti nei loro dettagli, formando un atlante di decine di migliaia di neuroni spinosi in molte regioni cruciali del cervello della mosca.

e adesso, In una nuova foglia massicciaI neuroscienziati, pubblicati martedì sulla rivista eLife, stanno iniziando a mostrare cosa possono farci.

Analizzando la rete neurale di solo una piccola parte del cervello di una mosca – il complesso centrale, che svolge un ruolo importante nella navigazione – il Dr. Gyaraman e colleghi hanno identificato dozzine di nuovi tipi di neuroni e circuiti neurali specifici che sembrano aiutare le mosche a fare il loro strada attraverso il mondo. Il lavoro potrebbe alla fine aiutare a fornire informazioni su come tutti i tipi di cervelli animali, incluso il nostro, elaborano una marea di informazioni sensoriali e le traducono in azioni appropriate.

È anche una prova di principio per il nuovo campo delle moderne connessioni neurali, costruito sulla promessa che la creazione di diagrammi di cablaggio del cervello dettagliati produrrà vantaggi scientifici.

«È davvero insolito», ha detto il dottor Clay Reed, ricercatore senior presso l’Allen Institute for Brain Sciences di Seattle, del nuovo documento. «Penso che chiunque lo guardi direbbe che le sinapsi sono uno strumento di cui abbiamo bisogno nelle neuroscienze: un arresto completo».

«La tua mente vola è cotta»

L’unica rete neurale completa nel regno animale appartiene all’umile ascaridi, C. elegans. Il biologo pionieristico Sidney Brenner, che in seguito vinse un premio Nobel, iniziò il progetto negli anni ’60. La sua piccola squadra ci ha impiegato anni, usando matite colorate per tracciare a mano tutti i 302 neuroni.

ha affermato Scott Emmons, neuroscienziato e genetista presso l’Albert Einstein College of Medicine, che in seguito ha utilizzato le tecnologie digitali per comprendere il sistema nervoso. Crea una nuova rete neurale C. elegans. Questo è vero in tutta la biologia. La struttura è molto importante».

Brenner et al il loro documento storico, che è stato registrato su 340 pagine, nel 1986.

Ma il campo delle moderne connessioni neurali non è decollato fino agli anni 2000, quando i progressi nell’imaging e nell’informatica hanno finalmente permesso di identificare le connessioni in cervelli più grandi. Negli ultimi anni, i team di ricerca di tutto il mondo hanno iniziato a mettere insieme le reti neurali di pesci zebra, uccelli canori, topi, umani e altro ancora.

Quando Janelia Research Campus è stato aperto nel 2006, Gerald Rubin, il suo direttore fondatore, ha messo gli occhi sul moscerino della frutta. «Non voglio offendere nessuno dei miei compagni vermi, ma penso che le mosche siano il cervello più semplice che abbia effettivamente un comportamento interessante e complesso», ha detto il dott. Rubin.

Negli anni successivi diversi team di Janelia hanno intrapreso progetti di reti di comunicazione per l’aviazione, ma il lavoro che ha portato al nuovo documento è iniziato nel 2014, con Il cervello di una mosca della frutta femmina di cinque giorni.

I ricercatori hanno affettato il cervello di una mosca in piastre e quindi hanno utilizzato una tecnica nota come microscopia elettronica a scansione di fascio ionico focalizzato per visualizzarli, strato per strato. Il microscopio funzionava essenzialmente come una lima per unghie molto piccola e molto precisa, rimuovendo uno strato molto sottile del cervello, scattando una foto del tessuto esposto e quindi ripetendo il processo fino a quando non rimaneva più nulla.

«Stai contemporaneamente immaginando e tagliando piccoli segmenti del cervello della mosca, quindi non sono lì dopo che hai finito», ha detto il dott. Jayaraman. «Quindi se sbagli qualcosa, hai finito. L’oca è cotta o il tuo cervello di mosca è cotto. «

Il team ha quindi utilizzato un software di visione artificiale per unire i milioni di immagini risultanti in un’unica cartella 3D e inviarle a Google. Lì, i ricercatori hanno utilizzato algoritmi avanzati di apprendimento automatico per identificare ogni singolo neurone e tracciare i suoi rami contorti.

Infine, il team di Janelia ha utilizzato strumenti computazionali aggiuntivi per identificare le sinapsi e i ricercatori umani hanno esaminato il lavoro dei computer, corretto gli errori e rivisto gli schemi elettrici.

L’anno scorso, i ricercatori propagazione della rete neurale NS quello che chiamavano «emicervello», Gran parte del cervello centrale delle mosche, che comprende aree e strutture essenziali per il sonno, l’apprendimento e la navigazione.

Il sistema nervoso, che è liberamente accessibile online, comprende circa 25.000 neuroni e 20 milioni di sinapsi, un numero molto più grande di C. elegans.

«Si tratta di un enorme aumento», ha affermato Corey Bargman, neuroscienziato della Rockefeller University di New York. «Questo è un enorme passo avanti verso l’obiettivo di lavorare sulla connettività cerebrale».

Benvenuto nella guida

Una volta che la rete neurale del cervello era pronta, il dottor Gyaraman, un esperto di neuroscienze della navigazione aerea, era ansioso di immergersi nei dati nel pool centrale.

La regione del cervello, che contiene circa 3.000 neuroni e si trova in tutti gli insetti, aiuta le mosche a costruire un modello interno della loro relazione spaziale con il mondo e quindi a scegliere e attuare comportamenti appropriati alle loro circostanze, come cercare cibo quando hanno fame.

«Mi stai dicendo che puoi darmi lo schema elettrico per qualcosa del genere?» ha detto il dottor Jayaraman. «Questo è uno spionaggio industriale migliore di quello che puoi ottenere ottenendo approfondimenti sull’iPhone di Apple».

Lui e i suoi colleghi hanno esaminato i dati della rete neurale, studiando come i circuiti neurali nella regione fossero raggruppati insieme.

Ad esempio, Hannah Haberkern, una borsista post-dottorato nel laboratorio del Dr. Jayaraman, ha analizzato i neuroni che inviano informazioni sensoriali all’ellissoide, una struttura circolare a forma di torta che funge da Bussola per voli interni.

Il Dr. Haberkern ha scoperto che i neuroni noti per trasmettere informazioni sulla polarizzazione della luce – una guida ecologica universale che molti animali usano per la navigazione – stabiliscono più connessioni con i neuroni della bussola che con i neuroni che trasmettono informazioni su altre cellule. Punti di riferimento visivi e punti di riferimento.

I neuroni dedicati alla polarizzazione della luce si collegano anche alle cellule cerebrali che forniscono informazioni su altri segnali di navigazione e sono in grado di inibirli gravemente.

I ricercatori ipotizzano che i cervelli volanti possano essere cablati per dare priorità alle informazioni sull’ambiente globale in movimento, ma anche che questi circuiti siano flessibili, in modo che quando queste informazioni sono insufficienti, possano prestare maggiore attenzione alle caratteristiche locali del paesaggio. «Hanno tutte queste strategie di backup», ha detto il dott. Haberkern.

Telefono di casa della mosca della frutta

Altri membri del team di ricerca hanno identificato percorsi neurali specifici che sembrano adatti ad aiutare la mosca a tracciare la direzione della sua testa e del suo corpo, prevedere la sua futura direzione e direzione di viaggio, calcolare la sua direzione attuale rispetto a un’altra posizione desiderata, e quindi muoversi in quella direzione.

Immagina, ad esempio, che una mosca affamata abbia rinunciato temporaneamente a una banana marcia per vedere se poteva agitare qualcosa di meglio. Ma dopo alcuni minuti di infruttuosa esplorazione (letteralmente), vuole tornare al suo pasto precedente.

I dati della rete neurale suggeriscono che alcune cellule cerebrali, conosciute tecnicamente come neuroni PFL3, aiutano la mosca a compiere questa manovra. Questi neuroni ricevono due input importanti: ricevono segnali dai neuroni che seguono la direzione verso cui è rivolta la mosca e anche dai neuroni che potrebbero monitorare la direzione della banana.

Dopo aver ricevuto questi segnali, i neuroni PFL3 inviano il proprio messaggio a un gruppo di neuroni che spingono la mosca a virare nella giusta direzione. La cena è servita di nuovo.

«La capacità di tracciare questa attività attraverso quel circuito – dai sensi al motore attraverso questo complesso circuito intermedio – è davvero sorprendente», ha detto Brad Hulse, un ricercatore nel laboratorio del Dr. Jayaraman che ha guidato questa parte dell’analisi. La rete neurale, ha aggiunto, «ci ha mostrato molto di più di quanto pensassimo sarebbe successo».

La raccolta cartacea – che comprende una bozza di 75 figure e si estende su 360 pagine – è solo l’inizio.

«Offre davvero questo fatto chiave per esplorare ulteriormente questa regione del cervello», ha affermato Stanley Heinz, esperto di neuroscienze degli insetti presso l’Università di Lund in Svezia. «È molto impressionante.»

E semplicemente formidabile. «Non lo tratterei come un documento di ricerca, ma piuttosto come un libro», ha detto il dottor Heinz.

In effetti, la carta è così grande che il server di prestampa bioRxiv In un primo momento si sono rifiutati di pubblicarlo, probabilmente perché i funzionari – per ragioni comprensibili – pensavano che lo fosse davvero libro, ha detto il dottor Jayaraman. (Il server alla fine ha indicato che lo studio è stato pubblicato, dopo alcuni giorni in più di elaborazione.)

Il dottor Jayaraman ha aggiunto che la pubblicazione del documento in eLife «richiede alcune autorizzazioni speciali e la comunicazione con il comitato editoriale».

Lezioni di volo

Ci sono limitazioni a ciò che un’istantanea di un singolo cervello può rivelare in un singolo momento e le reti neurali non catturano tutto ciò che è interessante nel cervello di un animale. (Ad esempio, la rete neurale di Janelia omette le cellule gliali, che svolgono tutti i tipi di compiti importanti nel cervello.)

Il dott. Jayaraman e colleghi hanno affermato che non sarebbero stati in grado di dedurre molto dalla rete neurale se non per decenni di ricerche precedenti, da parte di molti altri scienziati, sul comportamento dei moscerini della frutta e sulla fisiologia e funzione neurale di base, nonché sulla neuroscienza teorica. opera.

Ma gli schemi elettrici possono aiutare i ricercatori a indagare sulle teorie esistenti e formare ipotesi migliori, decidendo quali domande porre e quali esperimenti eseguire.

«Ora ciò di cui siamo davvero entusiasti è prendere quelle idee che sono state ispirate dalla rete neurale e tornare al microscopio, tornare ai nostri elettrodi e effettivamente registrare il cervello e vedere se quelle idee sono vere», ha detto il dott. Hulse .

Certo, ci si potrebbe, e alcuni si sono chiesti, perché i circuiti del cervello della Drosophila siano così importanti.

«Mi viene chiesto spesso di questo durante le vacanze», ha detto il dott. Hulse.

Le mosche non sono topi, scimpanzé o umani, ma il loro cervello svolge alcuni degli stessi compiti di base.. Comprendere i circuiti neurali di base in un insetto potrebbe fornire importanti indizi su come il cervello di altri animali affronta problemi simili, ha affermato David Van Essen, neuroscienziato della Washington University di St. Louis.

Acquisire una profonda comprensione del cervello delle mosche, ha detto, «ci fornisce anche spunti molto rilevanti per comprendere i cervelli dei mammiferi e persino degli umani e il loro comportamento».

Creare reti per cervelli più grandi e complessi sarà molto impegnativo. Il cervello del topo contiene circa 70 milioni di neuroni, mentre il cervello umano ha un volume di 86 miliardi.

Ma la complessa anta centrale non è certo sola; Attualmente, sono in corso studi dettagliati sulle reti neurali regionali di topi e umani, ha affermato il dott. Reed: «C’è molto altro in arrivo».

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