Bilim adamları neden bu yaratığın beyninin haritasını çıkarmak için yıllarını harcadılar?

Bir meyve sineğinin beyin büyüklüğü haşhaş tohumu büyüklüğündedir ve gözden kaçması kolaydır.

Howard Hughes Tıp Enstitüsü’nün Virginia’daki Janelia Araştırma Kampüsü’nde nörobilimci olan Vivek Jayaraman, “Bence çoğu insan sineğin beyni olduğunu düşünmüyor bile” dedi. “Ama, elbette, sinekler çok zengin hayatlar yaşarlar.”

Sinekler, çeşitli manzaralarda gezinmek de dahil olmak üzere karmaşık davranışlarda bulunabilirler. Rakiplerle mücadele Potansiyel arkadaşlar şarkı söylüyor. Ve nokta büyüklüğündeki beyinleri çok karmaşıktır, yaklaşık 100.000 nöron içerir ve Aralarında on milyonlarca bağlantı veya sinaps.

2014’ten beri Janelia’daki bir bilim insanı ekibi, Google araştırmacıları, Drosophila beyninin sinir ağı olarak da bilinen kapsamlı bir bağlantı şemasını oluşturmak için bu nöronları ve sinapsları haritaladı.

Sürekli olan iş, modern makine öğrenimi algoritmalarının yardımıyla bile zaman alıcı ve pahalıdır. Ancak şimdiye kadar yayınlanan veriler, ayrıntılarıyla şaşırtıcıdır ve sineğin beyninin birçok önemli bölgesinde on binlerce dikenli nörondan oluşan bir atlası oluşturur.

ve şimdi, Büyük bir yeni yapraktaSalı günü eLife dergisinde yayınlanan sinirbilimciler, bununla neler yapabileceklerini göstermeye başladılar.

Dr. Gyaraman ve meslektaşları, bir sineğin beyninin sadece küçük bir parçasının (navigasyonda önemli bir rol oynayan merkezi kompleks) sinir ağını analiz ederek, sineklerin kendilerini gerçekleştirmelerine yardımcı olan düzinelerce yeni nöron tipi ve belirli sinir devreleri tanımladılar. dünyadan bir yol. Çalışma, sonunda, bizimki de dahil olmak üzere, her tür hayvan beyninin bir duyusal bilgi akışını nasıl işlediğine ve uygun eyleme nasıl dönüştürdüğüne dair fikir sağlamaya yardımcı olabilir.

Aynı zamanda, ayrıntılı beyin bağlantı şemaları oluşturmanın bilimsel kazanımlar sağlayacağı vaadine dayanan yeni modern sinirsel bağlantı alanı için bir ilke kanıtıdır.

Seattle’daki Allen Beyin Bilimleri Enstitüsü’nde kıdemli araştırmacı olan Dr. Clay Reed, yeni makale için “Bu gerçekten sıra dışı” dedi. “Bence buna bakan herhangi biri sinapsların sinirbilimde ihtiyacımız olan bir araç olduğunu söyleyebilir – tam bir durak.”

“Aklın uçuyor pişmiş”

Hayvanlar alemindeki tek eksiksiz sinir ağı, mütevazı yuvarlak solucan C. elegans’a aittir. Daha sonra Nobel Ödülü kazanan öncü biyolog Sidney Brenner, projeye 1960’larda başladı. Küçük ekibi, 302 nöronun tamamını elle izlemek için renkli kalemler kullanarak yıllarını harcadı.

Albert Einstein Tıp Fakültesi’nde nörobilimci ve genetikçi olan Scott Emmons, “Brenner, sinir sistemini anlamak için yapısını bilmeniz gerektiğini fark etti” dedi. Yeni bir sinir ağı oluşturun C. elegans. Bu biyoloji genelinde geçerlidir. Yapı çok önemli” dedi.

Brenner ve diğerleri onların tarihi makalesi1986 yılında 340 sayfa olarak kaydedilmiştir.

Ancak modern sinirsel bağlantılar alanı, görüntüleme ve hesaplamadaki ilerlemelerin sonunda daha büyük beyinlerdeki bağlantıları tanımlamayı mümkün kıldığı 2000’lere kadar yükselmedi. Son yıllarda, dünyanın dört bir yanındaki araştırma ekipleri, zebra balığı, ötücü kuşlar, fareler, insanlar ve daha fazlasının sinir ağlarını bir araya getirmeye başladı.

Janelia Araştırma Kampüsü 2006’da açıldığında, kurucu direktörü Gerald Rubin gözünü meyve sineğine dikmişti. Dr. Rubin, “Solucan arkadaşlarımdan hiçbirini gücendirmek istemiyorum ama bence sinekler, gerçekten ilginç ve karmaşık davranışlar sergileyen en basit beyindir” dedi.

Janelia’daki birkaç farklı ekip, takip eden yıllarda havacılık iletişim ağı projelerine başladı, ancak yeni makaleye yol açan çalışma 2014’te başladı. Beş günlük dişi bir meyve sineğinin beyni.

Araştırmacılar bir sineğin beynini plakalara böldüler ve daha sonra onları katman katman görüntülemek için odaklanmış iyon ışını taramalı elektron mikroskobu olarak bilinen bir teknik kullandılar. Mikroskop esasen çok küçük ve çok hassas bir tırnak törpüsü gibi çalıştı, beynin çok ince bir tabakasını çıkardı, maruz kalan dokunun resmini çekti ve ardından hiçbir şey kalmayana kadar işlemi tekrarladı.

Dr. Jayaraman, “Aynı anda sineğin beyninin küçük bölümlerini görüntüleyip kesiyorsunuz, bu yüzden işiniz bittiğinde orada olmayacaklar” dedi. “Yani yanlış bir şey yaparsan, işin biter. Kaz pişirilir – ya da sinek beynin pişirilir.”

Ekip daha sonra elde edilen milyonlarca görüntüyü tek bir 3B klasörde birleştirmek ve bunları Google’a göndermek için bilgisayarlı görü yazılımı kullandı. Orada araştırmacılar, her bir nöronu tanımlamak ve büküm dallarını izlemek için gelişmiş makine öğrenme algoritmaları kullandılar.

Son olarak, Janelia’nın ekibi sinapsları belirlemek için ek hesaplama araçları kullandı ve insan araştırmacılar bilgisayarların çalışmalarını gözden geçirdi, hataları düzeltti ve kablo şemalarını gözden geçirdi.

Araştırmacılar, geçen yıl sinir ağı yayılımı NS “hemibrain” dedikleri şey, Uyku, öğrenme ve navigasyon için gerekli alanları ve yapıları içeren merkezi sineğin beyninin büyük bir kısmı.

Çevrimiçi olarak ücretsiz olarak erişilebilen sinir sistemi, C. elegans’tan çok daha fazla olan yaklaşık 25.000 nöron ve 20 milyon sinaps içerir.

New York’taki The Rockefeller Üniversitesi’nden bir sinirbilimci olan Corey Bargman, “Bu büyük bir artış” dedi. “Bu, beyin bağlantısı üzerinde çalışma hedefine doğru büyük bir adım.”

Rehbere hoş geldiniz

Beynin sinir ağı hazır olduğunda, uçuş navigasyonunun sinirbiliminde uzman olan Dr. Gyaraman, merkezi havuzdaki verilere dalmak için can atıyordu.

Yaklaşık 3.000 nöron içeren ve tüm böceklerde bulunan beyin bölgesi, sineklerin dünyayla olan uzamsal ilişkilerinin içsel bir modelini oluşturmalarına ve daha sonra aç olduklarında yiyecek aramak gibi durumlarına uygun davranışları seçmelerine ve uygulamalarına yardımcı olur.

“Bana böyle bir şeyin bağlantı şemasını verebileceğini mi söylüyorsun?” Dr. Jayaraman dedi. “Bu, Apple iPhone hakkında bilgi edinerek elde edebileceğinizden daha iyi bir endüstriyel casusluk.”

O ve meslektaşları, sinir ağı verilerini inceleyerek bölgedeki sinir devrelerinin birlikte nasıl gruplandığını inceledi.

Örneğin, Dr. Jayaraman’ın laboratuvarında doktora sonrası araştırmacı olan Hannah Haberkern, duyusal bilgiyi elipsoide gönderen nöronları analiz etti. Kapalı sinek pusulası.

Dr. Haberkern, birçok hayvanın navigasyon için kullandığı evrensel bir ekolojik rehber olan ışığın polarizasyonu hakkında bilgi ilettiği bilinen nöronların, diğer hücreler hakkında bilgi aktaran nöronlardan ziyade pusula nöronlarıyla daha fazla bağlantı kurduğunu buldu. Görsel yerler ve görülecek yerler.

Işığın polarizasyonuna adanmış nöronlar, diğer navigasyon sinyalleri hakkında bilgi sağlayan ve onları ciddi şekilde engelleyebilen beyin hücrelerine de bağlanır.

Araştırmacılar, hareket halindeyken küresel çevre hakkındaki bilgilere öncelik vermek için sinek beyinlerinin kablolu olabileceğini – ancak aynı zamanda bu devrelerin esnek olduğunu, böylece bu bilgi yetersiz olduğunda, manzaranın yerel özelliklerine daha fazla dikkat edebileceklerini varsayıyorlar. Dr. Haberkern, “Bütün bu yedekleme stratejilerine sahipler,” dedi.

meyve sineği ev telefonu

Araştırma ekibinin diğer üyeleri, sineğin başının ve vücudunun yönünü takip etmesine, gelecekteki yönünü ve seyahat yönünü tahmin etmesine, mevcut yönünü istenen başka bir konuma göre hesaplamasına ve ardından hareket etmesine yardımcı olmak için çok uygun görünen belirli sinir yolları belirledi. bu yönde.

Örneğin, aç bir sineğin, daha iyi bir şey yapıp yapamayacağını görmek için geçici olarak çürüyen bir muzdan vazgeçtiğini hayal edin. Ancak birkaç dakikalık sonuçsuz keşiften sonra (kelimenin tam anlamıyla), önceki yemeğine geri dönmek istiyor.

Sinir ağı verileri, teknik olarak PFL3 nöronları olarak bilinen belirli beyin hücrelerinin, sineğin bu manevrayı yapmasına yardımcı olduğunu gösteriyor. Bu nöronlar iki önemli girdi alırlar: Sineğin baktığı yönü takip eden nöronlardan ve ayrıca muzun yönünü izleyebilen nöronlardan sinyaller alırlar.

Bu sinyalleri aldıktan sonra, PFL3 nöronları kendi mesajlarını bir grup nörona gönderir ve bu da sineğin doğru yöne dönmesini sağlar. Akşam yemeği tekrar servis edilir.

Dr. Jayaraman’ın laboratuvarında analizin bu kısmına liderlik eden araştırmacı bilim adamı Brad Hulse, “Bu aktiviteyi bu devre aracılığıyla – duyulardan bu karmaşık ara devre aracılığıyla motora kadar – izleme yeteneği gerçekten şaşırtıcı” dedi. Sinir ağı, “bize olacağını düşündüğümüzden çok daha fazlasını gösterdi” diye ekledi.

75 figürden oluşan bir taslağı içeren ve 360 ​​sayfaya yayılan koleksiyon kağıdı sadece bir başlangıç.

İsveç’teki Lund Üniversitesi’nde böcek sinirbilimi uzmanı olan Stanley Heinz, “Bu beyin bölgesini daha fazla keşfetmek için gerçekten bu önemli gerçeği sunuyor” dedi. “Çok etkileyici.”

Ve sadece müthiş. Dr. Heinz, “Ona bir araştırma makalesi olarak değil, bir kitap olarak bakmam” dedi.

Aslında kağıt o kadar büyük ki, baskı öncesi sunucusu bioRxiv İlk başta, muhtemelen yetkililer – anlaşılabilir nedenlerle – gerçekten olduğunu düşündükleri için yayınlamayı reddettiler. kitap, dedi Dr. Jayaraman. (Sunucu, çalışmanın birkaç gün daha işleme alındıktan sonra yayınlandığını belirtti.)

Dr Jayaraman, makaleyi eLife’da yayınlamanın “bazı özel izinler ve yayın kurulu ile iletişim gerektirdiğini” sözlerine ekledi.

Uçuş dersleri

Tek bir beynin anlık görüntüsünün zaman içinde tek bir anda ortaya çıkarabileceği sınırlamalar vardır ve sinir ağları bir hayvanın beynindeki ilginç her şeyi yakalamaz. (Örneğin, Janelia’nın sinir ağı, beyinde her türlü önemli görevi yerine getiren glial hücreleri atlar.)

Jayaraman ve meslektaşları, diğer birçok bilim adamı tarafından onlarca yıl önce yapılan araştırmalar olmasaydı, sinir ağından meyve sineği davranışı ve temel sinir fizyolojisi ve işlevi ile teorik sinirbilim hakkında çok fazla sonuç çıkaramayacaklarını iddia ettiler. İş.

Ancak bağlantı şemaları, araştırmacıların mevcut teorileri araştırmalarına ve daha iyi hipotezler oluşturmalarına, hangi soruların sorulacağına ve hangi deneylerin gerçekleştirileceğine karar vermelerine yardımcı olabilir.

Dr. Hulse, “Şimdi gerçekten heyecanlandığımız şey, sinir ağından ilham alan fikirleri alıp mikroskoba geri dönmek, elektrotlarımıza geri dönmek ve beyni gerçekten kaydetmek ve bu fikirlerin doğru olup olmadığını görmek” dedi. .

Elbette, Drosophila beyninin devrelerinin neden bu kadar önemli olduğu sorulabilir ve bazıları merak etmiştir.

Dr. Hulse, “Tatillerde bu konu bana çok soruluyor” dedi.

Sinekler fare, şempanze veya insan değildir, ancak beyinleri aynı temel görevlerden bazılarını gerçekleştirir.. Louis’deki Washington Üniversitesi’nden bir sinirbilimci olan David Van Essen, bir böceğin temel sinir devrelerini anlamak, diğer hayvanların beyinlerinin benzer problemlerle nasıl başa çıktığına dair önemli ipuçları sağlayabilir, dedi.

Sinek beyni hakkında derin bir anlayış kazanarak, “aynı zamanda bize memelilerin ve hatta insanların beyinlerini ve davranışlarını anlamakla çok ilgili içgörüler sağlıyor” dedi.

Daha büyük ve daha karmaşık beyinler için ağlar oluşturmak çok zor olacak. Fare beyni yaklaşık 70 milyon nöron içerirken, insan beyni 86 milyar hacme sahiptir.

Ancak karmaşık merkezi yaprak kesinlikle yalnız değildir; Dr. Reed, şu anda bölgesel fare ve insan sinir ağlarıyla ilgili ayrıntılı çalışmaların yolda olduğunu söyledi: “Gelecek çok şey var.”

Dergi editörleri, kendinizi bir uyarı olarak kabul edin.