130,000개의 주석이 달린 뉴런과 5,300만 개의 시냅스를 갖춘 프린스턴 대학과 다른 대학에서는 최초의 완전한 '성체 파리' 뇌 연결체를 발표했습니다.-일체 포함-php.cn

Caenorhabditis elegans(302개의 뉴런)부터 Drosophila melanogaster(~100,000개의 뉴런)까지 현재 다양한 유기체의 전뇌 연결체를 매핑한 많은 프로젝트가 있습니다. 초파리(Drosophila melanogaster)는 인간이 가장 철저하게 연구한 유기체 중 하나입니다. 2017년 현재 초파리를 이용한 연구로 8개의 노벨상이 수상되었습니다.

초파리에 대한 연구자들의 연구가 계속되고 있습니다. 최근 프린스턴 대학과 다른 기관의 연구자들이 약 13만 개의 주석이 달린 뉴런과 수천만 종류의 시냅스를 포함하는 초파리 전뇌 커넥톰을 공개했습니다.

130,000개의 주석이 달린 뉴런과 5,300만 개의 시냅스를 갖춘 프린스턴 대학과 다른 대학에서는 최초의 완전한 성체 파리 뇌 연결체를 발표했습니다.

기본 신경계가 고대 동물부터 존재했다는 것은 누구나 어느 정도 알고 있지만, 뇌 시스템의 출현은 5억년 전으로 거슬러 올라갑니다. 연구에 따르면 뇌를 여러 영역으로 나누면 뇌의 기능을 이해하는 데 도움이 됩니다.

그러나 수년 동안 신경 및 시냅스 수준의 신경 연결 맵에 대한 논란이 있어 왔습니다. 이 현상의 주된 이유는 인간에게 그러한 연결 맵을 재구성하는 기술이 부족하기 때문입니다. 21세기 초 기술이 발전하면서 상황이 바뀌기 시작했습니다.

오늘, 프린스턴 대학교 및 기타 기관의 연구자들이 성체 초파리 뇌의 최초의 완전한 신경 연결 맵인 초파리 전뇌 커넥톰을 출시했습니다.

130,000개의 주석이 달린 뉴런과 5,300만 개의 시냅스를 갖춘 프린스턴 대학과 다른 대학에서는 최초의 완전한 성체 파리 뇌 연결체를 발표했습니다. Pictures

논문 주소: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.06.27.546656v1.full.pdf

결과 발표 후 "많은 프로젝트에서 예쁜꼬마선충(Caenorhabditis elegans)(302개의 뉴런)부터 Drosophila melanogaster(약 100,000개의 뉴런)에 이르기까지 다양한 유기체의 전뇌 연결체를 매핑했습니다. 현재의 컴퓨팅 성능으로는 가상으로 매핑할 수 없는 이유는 무엇입니까? 3D 환경에서 이러한 유기체에 대한 정확한 컴퓨터 시뮬레이션은 어떻습니까? "

성체 초파리 뇌의 최초의 완전한 신경 연결 맵

초파리의 뇌는 10^5개의 뉴런과 10개의 뉴런으로 작게 보입니다. ^8 시냅스, 그럼에도 불구하고 초파리는 이 시냅스를 통해 보고, 냄새 맡고, 듣고, 걷고, 물론 날 수 있습니다.

오랫동안 연구자들은 전자현미경(EM) 이미지를 통해 초파리 뇌의 일부를 재구성해 왔습니다. 이 이미지는 선명도가 뛰어나고 뉴런의 작은 가지와 연결된 시냅스를 보여줄 수 있습니다. 생성된 신경 회로의 연결 맵은 뇌가 사회적 행동, 기억 관련 행동 및 탐색 행동을 생성하는 방법에 대한 주요 통찰력을 제공합니다.

그러나 EM 방법이 뇌의 일부에 적용되어 유익한 로컬 연결 지도를 재구성했지만 이 방법은 뇌 기능을 보다 포괄적으로 이해하기에는 충분하지 않습니다.

이전에 연구자들은 Ito 등의 연구를 기반으로 단일 시냅스 그리드를 구축했습니다. 이 기사에서 사용된 그리드는 이전에 완전한 뇌 분할을 생성한 JFRC2 표준 뇌 템플릿을 기반으로 합니다. 이러한 그리드는 Virtual Fly에서도 사용됩니다. 뇌(초파리 시뮬레이션) 프로젝트. 이 연구에서는 일련의 비강체 변환을 통해 이러한 메쉬를 JFRC2 공간에서 FlyWire(FAFB14.1) 공간으로 이동합니다.

참고: FlyWire는 초파리 뇌를 탐색하기 위한 전뇌 연결체 플랫폼입니다. 2019년부터 과학자와 숙련된 교정자들은 FlyWire를 사용하여 전체 초파리 뇌의 AI 분할을 교정해 왔습니다. 2023년 6월 현재 전체 중앙 뇌를 포함하여 FlyWire에서 120,000개 이상의 뉴런이 교정되었습니다.

아래 그림에서 볼 수 있듯이, 본 연구에서 재구성된 전체 성체 초파리 뇌에는 127,978개의 뉴런(그림 1a)이 있으며, 그 사이에는 5,300만 개의 시냅스가 있습니다. 성인 여성 Drosophila melanogaster의 전체 뇌 이미지 (그림 1e, f)는 이전에 연속 섹션 전송 EM을 통해 얻었으며 Zheng et al.

130,000개의 주석이 달린 뉴런과 5,300만 개의 시냅스를 갖춘 프린스턴 대학과 다른 대학에서는 최초의 완전한 성체 파리 뇌 연결체를 발표했습니다. 사진

본 연구에서 초파리 뇌 전체를 재구성하여 얻은 연결 맵이 '커넥텀'이라고 불릴 만큼 완성도가 높다는 사실을 이 글에서 보여줍니다. 커넥톰은 예쁜꼬마선충(뉴런 300개, 시냅스 10^4개 미만) 및 초파리 1령 유충(뉴런 3,000개, 시냅스 5×10^5개)에 비해 크게 개선되었습니다. 앞으로의 도약: 커넥톰은 초파리 뇌의 절반을 초과할 뿐만 아니라 양적으로는 미각과 기계적 인식에 매우 중요한 초파리 중앙 뇌의 식도하 영역(SEZ)도 포괄합니다. 또한 커넥톰은 초파리 뇌에서 운동 뉴런을 아래로 구동하는 과정도 포괄합니다.

아래 그림은 뉴런의 범주를 보여줍니다. 그림 (a)는 초파리 뇌의 뉴런이 "스트림"(내인성, 구심성 및 원심성)으로 분류된다는 것을 보여줍니다. 그런 다음 각 흐름 클래스는 위치와 기능을 기반으로 "슈퍼클래스"로 더 나뉩니다. 최초로 공개된 겹눈에는 한쪽 반구에 약 8,000개의 망막 세포와 4개의 작은 안구가 없었으며, 그 부분은 빗금친 막대로 표시되었습니다. (b) 이러한 신경 주석을 사용하여 연구에서는 초파리 뇌의 상위 클래스 사이에 집계된 시냅스 지도를 만들었습니다. (c) 각 슈퍼클래스의 모든 뉴런 렌더링. (d) 안신경과 경추 결합 조직(CV) 외에도 각 반구에는 8개의 신경이 있습니다. 신경을 통과하는 모든 뉴런이 재구성되고 설명됩니다. (e) 감각 뉴런은 감각 양상에 대한 반응에 따라 세분화될 수 있습니다. FlyWire에서는 거의 모든 감각 뉴런이 양식별로 분류되었습니다. (f) 모든 비시각 감각 뉴런의 렌더링.

130,000개의 주석이 달린 뉴런과 5,300만 개의 시냅스를 갖춘 프린스턴 대학과 다른 대학에서는 최초의 완전한 성체 파리 뇌 연결체를 발표했습니다. Picture

다음 그림은 초파리의 중앙 뇌를 통한 정보의 흐름을 보여줍니다.

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130,000개의 주석이 달린 뉴런과 5,300만 개의 시냅스를 갖춘 프린스턴 대학과 다른 대학에서는 최초의 완전한 성체 파리 뇌 연결체를 발표했습니다. 검증된 세포 수집 유형

FlyWire 커넥톰은 지금까지 획득된 커넥톰 중 가장 크고 복잡한 커넥톰입니다. 다른 논문 "다중 커넥톰의 합의 세포 유형 아틀라스는 회로 고정관념과 변형의 원리를 드러냅니다"에서 팀은 이 규모의 커넥톰을 추가로 설명하기 위해 몇 가지 핵심 질문을 제기하고 답변했습니다.

1) 어떤 가장자리가 어떻게 중요한지 알다?

2) 자동 또는 수동 분석을 돕기 위해 커넥톰 다이어그램을 단순화하는 방법은 무엇입니까?

3) 이 커넥톰은 어느 정도까지 단일 뇌의 스냅샷이거나 종 전체를 대표하는 것입니까?

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130,000개의 주석이 달린 뉴런과 5,300만 개의 시냅스를 갖춘 프린스턴 대학과 다른 대학에서는 최초의 완전한 성체 파리 뇌 연결체를 발표했습니다. 문서 링크: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.06.27.546055v1.full.pdf

이러한 문제는 데이터 세트 내부 및 데이터 세트 전체와 관련이 있습니다. 세트의 Connectome 주석은 세포 유형 식별과 불가분의 관계가 있습니다.

가장 기본적인 수준에서 이 연결된 세트를 탐색하는 것은 포괄적인 주석 시스템 없이는 매우 어려울 것입니다. 따라서 이 논문에 대한 팀의 주석은 인간이 읽을 수 있는 부분의 색인화된 계층적 목록을 제공하여 생물학자가 관심 있는 시스템과 뉴런을 탐색할 수 있도록 합니다.

Connectome 주석은 수정해야 하는 분할 오류를 필연적으로 드러내므로 데이터 품질을 보장하는 데에도 중요합니다. 또한, Drosophila는 광범위한 선천적 및 후천적 행동의 회로 기반과 발달 유전적 기원을 탐구한 풍부한 역사를 가지고 있습니다. 출판되고 진행 중인 문헌의 특성화에서 이전에 확인된 것과 동일합니다.

부분 반뇌 커넥톰과의 비교는 대부분의 파리 세포 유형이 매우 고정관념적이며 간단한 정의와 일반적인 휴리스틱을 사용하는 커넥톰 내의 연결이 신뢰할 수 있고 기능할 가능성이 더 높다는 것을 확인합니다. 그러나 이는 일부 세포 유형에서 예상치 못한 변화도 드러났으며 원래 반뇌에서 보고된 많은 세포 유형을 안정적으로 재식별할 수 없음을 보여주었습니다. 이 발견으로 인해 커넥토믹스 데이터 세트 전반에 걸쳐 세포 유형을 정의하기 위한 새롭고 강력한 방법을 개발하고 적용해야 할 필요성이 생겼습니다.

이 연구에서 연구자들은 초파리 뇌의 모든 뉴런에 대해 다양한 세부 수준(수퍼클래스, 세포 클래스, 계보 클래스 등)에서 사람이 읽을 수 있는 주석을 생성했습니다.

연구원이 제공한 4,179개 세포 유형의 지도는 지금까지 최대 규모는 아닙니다(뇌의 절반에는 5,620개가 있으며, 최근 쥐 뇌에 대한 연구에서는 무려 5,000개의 분자 클러스터를 제공했습니다). 그러나 이는 어떤 의미에서는 지금까지 수집된 세포 유형 중 가장 큰 규모의 검증된 컬렉션입니다.

세포 유형은 동물 내외의 생물학적 다양성에 대한 입증 가능한 가설입니다. C. elegans에서는 초기 커넥톰에서 추론된 118개의 세포 유형이 커넥톰 및 분자 데이터의 후속 분석을 통해 명백히 뒷받침되었습니다. 일부 포유류에서는 100가지 세포 유형의 카탈로그를 생성하는 것이 가능하며 망막이나 운동 피질과 같은 다중 모드 데이터로 검증되었습니다.

그러나 대규모 분자 지도는 매우 유용한 계층 구조를 제공하지만 개인 전체에서 가장 정밀한 단위인 말단 세포 유형을 정확하게 정의하려는 시도는 없었습니다. 연구자들은 5,000개 이상의 세포 유형에 대해 처음으로 이 위조 가능한 세포 유형 가설을 테스트하여 3개 반구의 커넥톰 데이터에서 약 3,166개의 세포 유형을 확인하거나 수정했습니다.

커넥텀 데이터가 세포 유형을 기술하는 데 특히 의미가 있다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 이는 본질적으로 다중 모드(형태 및 연결성 제공)이며 뇌 내의 모든 세포를 볼 수 있습니다(완전성). 이 엄격한 테스트를 통과한 세포 유형은 (영구적으로) 변형될 가능성이 거의 없습니다. 이러한 이해를 바탕으로 FlyWire 데이터 세트의 두 반구 내에 정의된 추가 850개 세포 유형도 정확하고 영구적이어야 합니다. 연구자들은 커넥톰 데이터가 세포 유형의 표준이 될 것이라고 믿습니다. 그러므로 분자세포와 연결세포 유형을 연결하는 것이 핵심이 될 것입니다.

뇌 세포 유형의 3분의 1 이상이 아직 FlyWire에서 식별되지 않는다는 사실에 사람들은 약간 놀라거나 심지어 실망할 수도 있습니다. 연구자들은 대부분의 세포를 식별할 수 있으며 자신과 다른 사람들의 노력을 통해 현재 플랫폼과 도구를 계속해서 점진적으로 개선할 것으로 기대합니다.

그럼에도 불구하고 현재 결과는 몇 가지 중요한 문제를 드러냅니다. 첫째, 단일 뇌 반구의 데이터를 사용하여 식별된 많은 세포 유형에는 이제 수정이 필요합니다. 둘째, 새로운 다중 연결체 입력 방법(그림 6)은 강력하고 효율적인 방법을 제공합니다. 셋째, 성체 초파리의 지속적인 변이 사례는 종종 포유류 세포 유형과 연관되어 있으며, 이제 연구자들은 이전에는 불가능했던 정밀도로 이러한 변이를 처리할 수 있는 도구와 데이터를 보유하고 있습니다.

130,000개의 주석이 달린 뉴런과 5,300만 개의 시냅스를 갖춘 프린스턴 대학과 다른 대학에서는 최초의 완전한 성체 파리 뇌 연결체를 발표했습니다. 교차뇌세포 타이핑