Все соединено

Разглядываем нейроны в мозге дрозофилы

В начале октября 2024 года международная команда ученых представила первый полный коннектом взрослого насекомого — самки плодовой мухи дрозофилы. Он стал самым сложным из картированных на данный момент. За основу работы были взяты полученные ранее электронно-микроскопические снимки всего объема мозга дрозофилы с посинаптическим разрешением (всего около 100 теравокселей).

Для анализа изображений был специально создан консорциум FlyWire, который в итоге провел реконструкцию коннектома с помощью машинного обучения. В таком процессе неизбежны ошибки — в их исправлении участвовали ученые и добровольцы со всего мира, потратив на это 33 человеко-года. После этого данные интегрировали с результатами нескольких других визуализационных исследований.

Итоговую сборку и анализ коннектома выполнили научные группы под руководством Себастьяна Сына (Sebastian Seung) из Принстонского университета, а также Грегори Джеффриса (Gregory Jefferis) из Кембриджского университета и Дэви Бок (Davi Bock) из Вермонтского университета. Консорциум FlyWire значится соавтором работы.

Посмотрим внимательнее, что в итоге удалось собрать ученым.

140 тысяч клеток

Полная схема нейронов дрозофилы и связей между ними включает 139255 клеток и 54,5 миллиона синапсов, которые управляют всеми жизненными процессами мухи — от сенсорного восприятия до принятия решений и контроля действий. Это интегральное изображение включает все картированные нейроны:

Tyler Sloan for FlyWire / Princeton University

Исследователи идентифицировали 8453 типа нейронов, 4581 из которых были ранее неизвестны. Все они принадлежат к девяти надклассам: чувствительные, двигательные, эндокринные, восходящие, нисходящие, зрительные проекционные, зрительные центробежные, а также формирующие связи в пределах центрального отдела и зрительных долей.

Основные надклассы нейронов дрозофилы

Philipp Schlegel et al. / Nature, 2024

Самые большие

Большинство мультисинаптических связей между отдельными нейронами состоят менее чем из 10 синапсов, однако почти 16 тысяч таких соединений включают более ста синапсов, а 27 — более тысячи. Сами нейроны сильно различаются не только по функциям и связям, но и по морфологии и размеру.

50 самых крупных нейронов дрозофилы

Tyler Sloan and Amy Sterling for FlyWire / Princeton University

Чем связаны

Одна из важнейших характеристик нейронов — это основной вырабатываемый ими нейромедиатор. Исследователи рассчитали эти параметры для всех шести низкомолекулярных нейромедиатора насекомого. Здесь синим цветом отмечены нейроны, которые синтезируют гамма-аминомасляную кислоту (ГАМК), желтым — ацетилхолин, розовым — глутамат.

Нейроны, окрашенные по основному нейромедиатору

Amy Sterling and Julia Kuhl for FlyWire / Princeton University

За что отвечают

Авторы работ и добровольцы FlyWire не только охарактеризовали нейроны и связи между ними в целом. Они проанализировали морфологию клеток, их основные и второстепенные связи, в том числе мультисинаптические, а также биомаркеры их функций и происхождения из стволовых клеток, чтобы определить в мозге мухи системы, отвечающие за конкретные функции: восприятие сенсорной информацией, принятие решений на ее основе и контроль движений. Вот некоторые из этих систем.

Слух и знакомство

Эти нейроны отвечают за восприятие брачных «песен», которые самцы издают жужжанием крыльев с разным тембром:

Принятие судьбоносных решений

А эти клетки помогают самке, услышавшей «песню» принять решение, подходит ли ей партнер:

Информация о свете

Dm4-клетки сетчатки интегрируют информацию о свете и цвете от фоторецепторов:

Реакция на свет

Гигантские амакриновые CT1-клетки обеспечивают двигательные реакции на снижение или повышение освещения. В мозге дрозофилы их всего две — по одной в каждом полушарии, но каждая выполняет функцию 750 отдельных нейронов.

Обработка визуальных стимулов

Насколько сложно устроена система зрительного восприятия, можно понять по принципиальной схеме. Упрощенная версия включает только основные вводы и выводы нейронных связей, не выходящих за пределы зрительных долей мозга:

Упрощенная принципиальная схема нейронных связей в пределах зрительных долей

Arie Matsliah et al. / Nature, 2024

Распознавание движений

Отдельные нейроны отвечают за распознавание движений. На рендере клетки, окрашенные желтым и розовым отвечают за распознавание горизонтальных движений, голубые клетки — вертикальных:

Движение вперед

Клетки Болта (названные в честь Усейна Болта) отвечают за быстрое движение вперед:

Клетки лунной походки

У дрозофилы есть специальные нейроны, которые позволяют ей ходить задом наперед. Исследователи из FlyWire прозвали их клетками «лунной походки» (moonwalker neurons).

Остановка

Но любое движение — хоть вперед, хоть назад — нужно вовремя прекратить. Для этого тоже есть выделенные сети нейронов, которые могут остановить движение — плавно или резко, в зависимости от контекста.

Сети нейронов, отвечающих за прекращение движения.

Сверху — данные иммуногистохимии, посередине — машинного обучения, снизу — электронной микроскопии
Neha Sapkal et al. / Nature, 2024

Навигация

Для навигации у насекомого есть EPG-клетки, которые используют информацию о движениях дрозофилы для ориентирования в пространстве. Из-за своего предназначения в мозге мухи эти клетки формируют кольцевидную структуру.

Сон и консолидация памяти

DPM-клетки, иннервирующие нейропили (грибовидные тела), необходимы для сна и консолидации памяти. Их общая длина составляет 7,7 сантиметра, а их реконструкция усилиями добровольцев FlyWire потребовала более полутора тысяч правок.

Со времени появления первых результатов работы FlyWire в 2020 году их уже использовали более чем в полусотне научных работ. Даже одновременно с основными публикациями о коннектоме взрослого насекомого вышли еще семь статей.

Теперь, когда коннектом собран полностью и выложен в открытый доступ, исследования нейробиологии насекомых (и фундаментальных принципов работы мозга в целом) вполне могут сделать качественный скачок вперед. По крайней мере, серьезные основания для этого уже есть.