Przełom w neurologii: zespół badawczy po raz pierwszy zmapował cały mózg dorosłej muszki owocowej

Poprzedni badacze zmapowali mózg A C. elegancja robak z 302 neuronami i mózg larw muszki owocowej, który miał 3000 neuronów, ale dorosła muszka owocowa jest o kilka rzędów wielkości bardziej złożona i ma prawie 140 000 neuronów i około 50 milionów łączących je synaps.

Muszki owocowe mają wspólne 60% ludzkiego DNA, a trzy na cztery ludzkie choroby genetyczne mają odpowiednik u muszek owocowych. Zrozumienie mózgów muszek owocowych jest krokiem w stronę zrozumienia mózgów większych, bardziej złożonych gatunków, takich jak ludzie.

„To duże osiągnięcie” – powiedziała Mala Murthy, dyrektor Instytutu Neuronauki w Princeton i, wraz z Sebastianem Seungiem, współprzewodnicząca zespołu badawczego. „Nie ma innego pełnego konektomu mózgowego u dorosłego zwierzęcia o takiej złożoności”. Murthy jest także profesorem neurologii Karola i Marnie Marcinów z 1996 r. w Princeton.

Seung i Murthy z Princeton są współautorami sztandarowej gazety „ Natura numer, który obejmuje zbiór dziewięciu powiązanych artykułów o nakładających się zbiorach autorów, pod kierownictwem badaczy z Princeton University, University of Vermont, University of Cambridge, University of California-Berkeley, UC-Santa Barbara, Freie Universität-Berlin, oraz Instytut Neuronauki Maxa Plancka na Florydzie. Prace zostały częściowo sfinansowane przez inicjatywę BRAIN Initiative NIH, Centrum Dynamiki Obwodów Neuralnych przy Princeton Neuroscience Institute i McDonnell Center for Systems Neuroscience, a także inne publiczne i prywatne instytuty i fundusze zajmujące się neurologią, których lista znajduje się na końcu tego dokumentu.

Mapa została opracowana przez konsorcjum FlyWire z siedzibą na Uniwersytecie Princeton i składające się z zespołów w ponad 76 laboratoriach, w których uczestniczy 287 badaczy z całego świata oraz ochotniczych graczy.

Sven Dorkenwald, główny autor sztandarowej publikacji Nature, stał na czele konsorcjum FlyWire.

„To, co zbudowaliśmy, pod wieloma względami przypomina atlas” – powiedział Dorkenwald, doktorant z 2023 r. absolwent Princeton, obecnie Uniwersytetu Waszyngtońskiego i Allen Institute for Brain Science. „Tak jak nie chciałbyś jechać w nowe miejsce bez Map Google, tak nie chcesz odkrywać mózgu bez mapy. Zbudowaliśmy atlas mózgu i dodaliśmy adnotacje dla wszystkich firm , budynki, nazwy ulic Dzięki temu badacze są teraz wyposażeni do przemyślanego poruszania się po mózgu, gdy próbujemy go zrozumieć”.

I podobnie jak mapa, na której zaznaczona jest każda maleńka uliczka i każda autostrada, konektom muchy pokazuje połączenia w mózgu muszki owocowej w każdej skali.

Mapa została utworzona na podstawie 21 milionów zdjęć mózgu samicy muszki owocowej wykonanych przez zespół naukowców pod kierownictwem Daviego Bocka, następnie w kampusie badawczym Janelia Instytutu Medycznego Howarda Hughesa, a obecnie na Uniwersytecie w Vermont. Wykorzystując model sztucznej inteligencji zbudowany przez badaczy i inżynierów oprogramowania współpracujących z Sebastianem Seungiem z Princeton, grudki i plamy na tych obrazach zamieniono w opisaną, trójwymiarową mapę. Zamiast zachować poufność swoich danych, badacze od początku udostępnili społeczności naukowej swoją mapę neuronową.

„Mapowanie całego mózgu stało się możliwe dzięki postępowi w informatyce opartej na sztucznej inteligencji. Ręczne zrekonstruowanie całego schematu okablowania nie byłoby możliwe. To pokazuje, jak sztuczna inteligencja może posunąć naprzód neuronaukę” – powiedział prof. Sebastian Seung, jeden z współprowadzący badania oraz profesor neurologii Evnin z Princeton i profesor informatyki.

„Teraz, gdy mamy już tę mapę mózgu, możemy zamknąć pętlę, w której neurony odnoszą się do poszczególnych zachowań” – powiedział Dorkenwald.

Rozwój ten może doprowadzić do opracowania dostosowanych do indywidualnych potrzeb metod leczenia chorób mózgu.

„Pod wieloma względami on (mózg) jest potężniejszy niż jakikolwiek komputer stworzony przez człowieka, jednak w większości nadal nie rozumiemy leżącej u jego podstaw logiki” – powiedział John Ngai, dyrektor inicjatywy BRAIN Initiative amerykańskiego Narodowego Instytutu Zdrowia. która zapewniła częściowe finansowanie projektu FlyWire. „Bez szczegółowego zrozumienia, w jaki sposób neurony łączą się ze sobą, nie będziemy mieli podstawowej wiedzy na temat tego, co dzieje się prawidłowo w zdrowym mózgu, a co nie działa w przypadku choroby”.