Dengan 130,000 neuron beranotasi dan 53 juta sinaps, Universiti Princeton dan lain-lain mengeluarkan sambungan otak 'lalat dewasa' lengkap pertama

Daripada Caenorhabditis elegans (302 neuron) kepada Drosophila melanogaster (~100,000 neuron), setakat hari ini, terdapat banyak projek yang telah memetakan sambungan seluruh otak pelbagai organisma. Drosophila melanogaster ialah salah satu organisma yang paling dikaji oleh manusia Setakat 2017, lapan Hadiah Nobel telah dianugerahkan untuk penyelidikan menggunakan lalat buah.

Penyelidikan penyelidik tentang Drosophila diteruskan Baru-baru ini, penyelidik dari Universiti Princeton dan institusi lain mengeluarkan sambungan seluruh otak Drosophila, termasuk kira-kira 130k neuron beranotasi dan berpuluh juta jenis sinaps.

Semua orang tahu sedikit sebanyak bahawa sistem saraf asas telah wujud sejak haiwan purba, tetapi kemunculan sistem otak boleh dikesan sejak 500 juta tahun dahulu. Penyelidikan menunjukkan bahawa membahagikan otak kepada kawasan yang berbeza membantu memahami fungsinya.

Walau bagaimanapun, selama bertahun-tahun, terdapat kontroversi mengenai peta sambungan saraf di peringkat neuron dan sinaptik Sebab utama fenomena ini ialah manusia kekurangan teknologi untuk membina semula peta sambungan tersebut. Perkara hanya mula berubah pada awal abad ke-21 apabila teknologi berkembang.

Hari ini, penyelidik dari Universiti Princeton dan institusi lain telah mengeluarkan sambungan seluruh otak Drosophila, yang merupakan peta sambungan saraf lengkap pertama bagi otak Drosophila dewasa.

Gambar

Alamat kertas: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.06.27.546656v1.full.pdf

Selepas keputusan dikeluarkan , seseorang berkata: "Banyak projek telah memetakan sambungan seluruh otak pelbagai organisma, daripada Caenorhabditis elegans (302 neuron) kepada Drosophila melanogaster (kira-kira 100k neuron). Dengan kuasa pengkomputeran semasa kami, mengapa kami tidak boleh memetakannya dalam maya Bagaimana pula dengan simulasi komputer yang tepat bagi organisma ini dalam persekitaran 3D "

Peta sambungan saraf lengkap pertama otak lalat buah dewasa

Otak lalat buah kelihatan kecil, dengan 10^5 neuron dan 10 ^8 sinaps, namun, dengan ini, lalat buah boleh melihat, menghidu, mendengar, berjalan dan sudah tentu terbang.

Sejak sekian lama, penyelidik telah membina semula bahagian otak Drosophila melalui imej mikroskopi elektron (EM) Imej ini mempunyai kejelasan yang baik dan boleh menunjukkan cabang-cabang kecil neuron dan sinaps yang bersambung. Peta ketersambungan yang terhasil bagi litar saraf memberikan pandangan utama tentang cara otak menjana tingkah laku sosial, tingkah laku berkaitan memori dan tingkah laku navigasi.

Walau bagaimanapun, walaupun kaedah EM telah digunakan pada bahagian otak dan membina semula peta sambungan tempatan yang bermaklumat, kaedah ini tidak mencukupi untuk pemahaman yang lebih menyeluruh tentang fungsi otak.

Sebelum ini, penyelidik membina grid sinaps tunggal berdasarkan penyelidikan Ito et al. Grid yang digunakan dalam artikel ini adalah berdasarkan templat otak standard JFRC2 yang sebelum ini menghasilkan pembahagian otak yang lengkap Projek Otak (Simulasi Drosophila). Kajian ini memindahkan jerat ini dari ruang JFRC2 ke ruang FlyWire (FAFB14.1) melalui satu siri transformasi tidak tegar.

Nota: FlyWire ialah platform penghubung seluruh otak untuk meneroka otak Drosophila. Sejak 2019, saintis dan pembaca pruf berpengalaman telah menggunakan FlyWire untuk membaca pruf segmentasi AI bagi seluruh otak lalat buah. Sehingga Jun 2023, lebih daripada 120,000 neuron telah dibaca pruf dalam FlyWire, termasuk seluruh otak pusat.

Seperti yang ditunjukkan dalam rajah di bawah, keseluruhan otak Drosophila dewasa yang dibina semula dalam kajian ini mengandungi 127,978 neuron (Rajah 1a) dengan 53 juta sinaps di antara mereka. Imej otak keseluruhan Drosophila melanogaster betina dewasa (Rajah 1e, f) sebelum ini diperoleh melalui pemindahan bahagian bersiri EM dan dikeluarkan ke domain awam oleh Zheng et al.

gambar

Artikel ini menunjukkan bahawa peta sambungan yang diperoleh dengan membina semula keseluruhan otak Drosophila dalam kajian ini cukup lengkap untuk dipanggil "connectome." Sambungan bertambah baik dengan ketara berbanding Caenorhabditis elegans (300 neuron, kurang daripada 10^4 sinaps) dan Drosophila larva instar pertama (3,000 neuron, 5×10^5 sinaps) Lonjakan ke hadapan: connectome bukan sahaja melebihi separuh daripada otak Drosophila dalam kuantiti, ia juga meliputi zon subesophageal (SEZ) otak pusat Drosophila, yang sangat penting untuk rasa dan persepsi mekanikal Selain itu, connectome juga Meliputi proses yang mendorong neuron motor dari otak Drosophila ke bawah.

Rajah di bawah menunjukkan kategori neuron Rajah (a) menunjukkan bahawa neuron dalam otak Drosophila dikelaskan mengikut "aliran": intrinsik, aferen, dan eferen. Setiap kelas aliran kemudiannya dibahagikan lagi kepada "kelas super" berdasarkan lokasi dan fungsi. Mata majmuk pertama yang dikeluarkan secara terbuka telah hilang kira-kira 8,000 sel retina dan empat bola mata kecil dalam satu hemisfera, bahagian yang ditunjukkan oleh bar menetas. (b) Menggunakan anotasi neuron ini, kajian itu mencipta peta sinaptik agregat antara superclass dalam otak Drosophila. (c) Rendering semua neuron dalam setiap superclass. (d) Selain saraf oftalmik dan tisu penghubung serviks (CV), terdapat 8 saraf di setiap hemisfera. Semua neuron yang melintasi saraf dibina semula dan dijelaskan. (e) Neuron deria boleh dibahagikan berdasarkan tindak balasnya terhadap modaliti deria. Dalam FlyWire, hampir semua neuron deria telah diklasifikasikan mengikut modaliti. (f) Rendering semua neuron deria bukan visual.

Gambar

Gambar berikut menunjukkan aliran maklumat melalui otak tengah lalat buah:

Gambar

Koleksi sel terbesar yang pernah disahkan jenis

Penyambung FlyWire ialah penyambung terbesar dan paling kompleks yang pernah diperolehi. Dalam kertas lain, "Atlas jenis sel konsensus daripada berbilang penyambung mendedahkan prinsip stereotaip dan variasi litar", pasukan itu membangkitkan dan menjawab beberapa soalan penting untuk menerangkan lebih lanjut sambungan skala ini:

1) Bagaimana Sisi mana yang penting untuk tahu?

2) Bagaimana untuk memudahkan gambar rajah connectome untuk membantu analisis automatik atau manual?

3) Sejauh manakah penghubung ini merupakan gambaran satu otak atau wakil spesies secara keseluruhan? . Anotasi Connectome set dipautkan secara tidak terpisah dengan pengenalpastian jenis sel.

Pada tahap paling asas, menavigasi set bersambung ini akan menjadi sangat mencabar tanpa sistem anotasi yang komprehensif. Oleh itu, anotasi pasukan untuk kertas ini menyediakan senarai terindeks dan hierarki bahagian yang boleh dibaca manusia, membolehkan ahli biologi meneroka sistem dan neuron yang menarik minat mereka.

Anotasi sambungan juga penting untuk memastikan kualiti data kerana ia tidak dapat tidak mendedahkan ralat pembahagian yang mesti diperbetulkan. Tambahan pula, Drosophila mempunyai sejarah yang kaya dalam meneroka asas litar pelbagai tingkah laku semula jadi dan diperoleh, serta asal-usul genetik perkembangan mereka hanya akan dapat dilakukan dengan mengenal pasti silang jenis sel dalam connectome dengan yang dikenal pasti sebelum ini dalam Pencirian dalam kesusasteraan yang diterbitkan dan berterusan.

Perbandingan dengan penyambung hemibrain separa mengesahkan bahawa kebanyakan jenis sel lalat adalah sangat stereotaip dan bahawa sambungan dalam penyambung dengan takrifan mudah dan heuristik umum boleh dipercayai dan lebih berkemungkinan berfungsi. Walau bagaimanapun, ini juga mendedahkan perubahan yang tidak dijangka dalam beberapa jenis sel dan menunjukkan bahawa banyak jenis sel yang asalnya dilaporkan dalam hemibrain tidak boleh dikenal pasti semula dengan pasti. Penemuan ini membawa kepada pembangunan dan penggunaan kaedah baharu dan berkuasa untuk menentukan jenis sel merentas set data connectomics.

Dalam kajian ini, penyelidik menghasilkan anotasi yang boleh dibaca manusia pada tahap butiran yang berbeza (kelas super, kelas sel, kelas keturunan, dll.) untuk semua neuron dalam otak lalat.

Peta 4,179 jenis sel yang disediakan oleh penyelidik bukanlah yang terbesar yang pernah ada (satu separuh daripada otak mempunyai 5,620, dan kerja terbaru dalam otak tetikus menyediakan sebanyak 5,000 gugusan molekul). Walau bagaimanapun, ia adalah koleksi terbesar jenis sel yang disahkan pernah dipasang.

Jenis sel ialah hipotesis yang boleh dibuktikan tentang kebolehubahan biologi dalam dan merentas haiwan. Dalam C. elegans , 118 jenis sel yang disimpulkan daripada connectome awal telah disokong dengan jelas oleh analisis seterusnya bagi connectome dan data molekul. Dalam sesetengah mamalia, penjanaan katalog 100 jenis sel adalah mungkin dan telah disahkan dengan data multimodal seperti dalam retina atau korteks motor.

Walau bagaimanapun, peta molekul berskala besar menghasilkan hierarki yang sangat bermaklumat, tetapi tiada percubaan untuk mentakrifkan jenis sel terminal dengan tepat - unit terbaik merentas individu. Para penyelidik menguji hipotesis jenis sel yang boleh dipalsukan ini buat kali pertama pada lebih daripada 5,000 jenis sel, mengesahkan atau membetulkan kira-kira 3,166 jenis sel dalam data penghubung daripada 3 hemisfera.

Perlu diambil perhatian bahawa data connectome amat bermakna untuk persempadanan jenis sel: ia sememangnya multimodal (dengan menyediakan morfologi dan ketersambungan) dan dapat melihat semua sel dalam otak (lengkap ). Jenis sel yang lulus ujian ketat ini sangat tidak mungkin diubah suai (secara kekal). Berdasarkan pemahaman ini, 850 jenis sel tambahan yang ditakrifkan dalam hanya dua hemisfera kumpulan data FlyWire juga harus tepat dan kekal. Para penyelidik percaya bahawa data connectome akan menjadi standard emas untuk jenis sel. Oleh itu, menghubungkan jenis sel molekul dan sel connectomic akan menjadi kunci.

Orang ramai mungkin sedikit terkejut atau kecewa kerana lebih satu pertiga daripada separuh daripada jenis sel otak belum dapat dikenal pasti dalam FlyWire. Para penyelidik mengulangi bahawa kebanyakan sel boleh dikenal pasti, dan mereka mengharapkan untuk terus membuat peningkatan tambahan pada platform dan alatan semasa melalui usaha mereka sendiri dan orang lain.

Namun begitu, keputusan semasa mendedahkan beberapa isu penting: pertama, banyak jenis sel yang dikenal pasti menggunakan data daripada hemisfera otak tunggal kini memerlukan pengubahsuaian kedua, kaedah menaip berbilang sambungan baharu (Rajah 6) Ini menyediakan kaedah yang berkuasa dan cekap Ketiga, contoh variasi berterusan dalam lalat dewasa sering dikaitkan dengan jenis sel mamalia, dan penyelidik kini mempunyai alat dan data untuk mengendalikan variasi ini dengan ketepatan yang mustahil sebelum ini.

Menaip sel otak silang

Secara keseluruhan, kerja ini meletakkan beberapa asas untuk kajian mendalam tentang sambungan lalat normal semasa dan dijangka, dan juga boleh membantu dimorfisme seksual masa hadapan, Penyelidikan tentang keplastikan yang bergantung kepada pengalaman, perkembangan seluruh otak, dan penyakit.

Atas ialah kandungan terperinci Dengan 130,000 neuron beranotasi dan 53 juta sinaps, Universiti Princeton dan lain-lain mengeluarkan sambungan otak 'lalat dewasa' lengkap pertama. Untuk maklumat lanjut, sila ikut artikel berkaitan lain di laman web China PHP!