Tim naučnika podržan od strane Nacionalnog instituta za zdravlje (NIH) The BRAIN Initiative, uključujući Davi Bock, Ph.D., vanredni profesor neuroloških nauka na UVM Robert Larner, MD College of Medicine, nedavno je napravio značajan napredak u neurobiološko istraživanje uspešnim mapiranjem celog mozga Drosophila melanogaster, poznatije kao voćna mušica.
Studija pod nazivom „Anotacija celog mozga i tipizacija ćelija drozofile sa više konektoma“, objavljena u časopisu Priroda, uspostavila je „atlas konsenzusnih ćelija“ ili sveobuhvatan vodič za razumevanje različitih tipova ćelija u mozgu voćne mušice. Mozak voćne mušice sadrži oko 130.000 neurona (mozak čoveka sadrži 86 milijardi; miševi, koji često zamenjuju ljude u naučnim istraživanjima i testiranjima, imaju 100 miliona neurona).
Skup podataka elektronske mikroskopije koji leži u osnovi konektoma celog mozga (poznatog kao FAFB, ili „Full Adult Fli Mozak“) koristi detaljne oblike svakog neurona u mozgu muve, kao i sve sinaptičke veze između njih da identifikuje i katalogizuje sve tipove ćelija. u mozgu.
Ova kompletna mapa će pomoći istraživačima da identifikuju kako različita kola rade zajedno da kontrolišu ponašanja kao što su kontrola motora, udvaranje, donošenje odluka, pamćenje, učenje i navigacija.
„Ako želimo da razumemo kako mozak funkcioniše, potrebno nam je mehaničko razumevanje kako se svi neuroni uklapaju zajedno i da vam dozvolimo da razmišljate“, primetio je dr Gregori Džeferis, ko-voditelj studije.
„Za većinu mozgova, nemamo pojma kako ove mreže funkcionišu. Sada za početak, imamo ovaj kompletan dijagram ožičenja, ključni korak u razumevanju složenih moždanih funkcija. U stvari, koristeći naše podatke, koje smo delili onlajn dok smo radili, drugi naučnici već su počeli da pokušavaju da simuliraju kako mozak muva reaguje na spoljašnji svet.“
„Da bismo počeli da simuliramo mozak digitalno, moramo da znamo ne samo strukturu mozga, već i kako neuroni funkcionišu da se uključuju i isključuju jedni druge“, rekao je Džeferis.
„Koristeći naše podatke, koji su deljeni na mreži dok smo radili, drugi naučnici su već počeli da pokušavaju da simuliraju kako mozak muve reaguje na spoljašnji svet. Ovo je važan početak, ali moraćemo da prikupimo mnogo različitih vrsta podataka da bismo proizvode pouzdane simulacije kako mozak funkcioniše.“
Dok su slične studije rađene sa jednostavnijim organizmima, kao što je crv nematoda C. elegans i stadijum larve voćne mušice, odrasla voćna mušica nudi složenije ponašanje za proučavanje. Iako je mozak voćne mušice očigledno manje složen od mozga, ili čak miša, implikacije studije su duboke.
Postoje ogromne sličnosti u tome kako neuronska kola u svim vrstama obrađuju informacije; ovaj rad omogućava da se principi obrade informacija identifikuju u jednostavnijem modelu organizma, a zatim da se traže u većim mozgovima.
Bok napominje da naučnici trenutno nisu u stanju da skaliraju ovaj pristup ljudskom mozgu, ali navodi da ovo dostignuće predstavlja značajan korak ka potpunom povezivanju mišjeg mozga.
„Ova vrsta posla [koji se obavlja u ovoj oblasti konektomike] unapređuje stanje umetnosti na način jednom u veku, omogućavajući nam da mapiramo oblike i veze svakog pojedinačnog neurona u kompletnom mozgu prilično sofisticiranu životinju, odraslu voćnu mušicu, i da anotiraju i kopaju rezultujući konektom uz pomoć najsavremenije softverske analitike“, rekao je Bok.
„Ni svetlosna mikroskopija — čak ni sa višebojnom fluorescencijom — ni klasična Golgijeva metoda i njeni srodni pristupi nisu pružili ovu mogućnost.
„Postizanje ovog podviga na nivou čitavog mozga važnog genetskog modela organizma kao što je voćna mušica predstavlja izuzetan napredak u ovoj oblasti.
Ova studija koristi alate i podatke koje generiše konzorcijum FliVire, koji uključuje istraživače kao što je UVM-ov Bock; dr Gregori Džeferis i dr Filip Šlegel iz MRC Laboratorije za molekularnu biologiju i Univerziteta u Kembridžu; i Sebastijan Seung, dr. i Mala Murthi, Ph.D., sa Univerziteta Princeton.
Konzorcijum je koristio elektronske mikroskopske slike mozga koje su prethodno generisane u Bokovoj laboratoriji da bi napravio detaljnu mapu veza između neurona u celom mozgu odrasle osobe ženke voćne mušice. Ova mapa uključuje oko 50 miliona hemijskih sinapsi između gore pomenutih 139.255 neurona muve.
Istraživači su takođe dodali informacije o različitim tipovima ćelija, nervima, razvojnim linijama i predviđanjima o neurotransmiterima koje koriste neuroni. FliVire-ov Connectome Data Ekplorer alat za analizu podataka otvorenog pristupa je dostupan i dostupan za preuzimanje i može se pretraživati interaktivno—sve urađeno u duhu podsticanja timske nauke. Ovaj rad je detaljno opisan u pratećem Nature radu, „Neuronski dijagram ožičenja mozga odrasle osobe“.
„Učinili smo celu bazu podataka otvorenom i slobodno dostupnom svim istraživačima. Nadamo se da će ovo biti transformativno za neuronaučnike koji pokušavaju da bolje razumeju kako funkcioniše zdrav mozak“, naveo je Murti. „U budućnosti se nadamo da će biti moguće uporediti šta se dešava kada stvari krenu po zlu u našem mozgu, na primer u uslovima mentalnog zdravlja.
Praćenjem veza od senzornih ćelija do motornih neurona, istraživači mogu otkriti potencijalne mehanizme kola koji kontrolišu ponašanje voćnih mušica, označavajući ključni korak ka razumevanju složenosti ljudske spoznaje i ponašanja.
„Omalena voćna mušica je iznenađujuće sofisticirana i dugo je služila kao moćan model za razumevanje bioloških osnova ponašanja“, rekao je dr Džon Ngai, direktor NIH-ove inicijative The BRAIN Initiative.
„Ova prekretnica ne samo da pruža istraživačima novi skup alata za razumevanje kako kola u mozgu pokreću ponašanje, već je važno i kao preteča tekućih napora da se mapiraju veze većih mozgova sisara i ljudi.“
