Odkodowany mózg muchy: pierwsza mapa połączeń nerwowych samca

Mózg, nawet ten należący do maleńkiej muszki owocowej, jest jedną z najbardziej złożonych struktur w znanym wszechświecie. To w nim zapisany jest kod, który przekształca bodźce z otoczenia w złożone zachowania – od unikania zagrożenia po skomplikowane rytuały godowe. Stworzenie pełnej, szczegółowej mapy wszystkich połączeń neuronowych w układzie nerwowym, zwanej konektomem, jest dla neuronauki tym, czym Projekt Poznania Ludzkiego Genomu był dla genetyki. To fundamentalny krok, który pozwala nam przestać błądzić po omacku i zacząć czytać instrukcję obsługi mózgu.

Odkodowany mózg samca muszki owocowej: naukowcy mają pełną mapę połączeń nerwowych

Po ponad dekadzie intensywnych prac, międzynarodowy zespół naukowców z Janelia Research Campus, Uniwersytetu Cambridge i Google Research osiągnął kamień milowy w neuronauce. Stworzono pierwszy w historii kompletny konektom ośrodkowego układu nerwowego (OUN) dorosłego samca muszki owocowej (Drosophila melanogaster). To nic innego jak precyzyjna mapa wszystkich neuronów w mózgu i rdzeniu nerwowym oraz milionów połączeń między nimi.

Dotychczasowe mapy mózgu muszki, w tym te opublikowane w 2020 i 2023 roku, dotyczyły wyłącznie samic. Po raz pierwszy w historii naukowcy mogą bezpośrednio porównać „schematy okablowania” obu płci zwierzęcia o złożonych zachowaniach społecznych.

Kompletna mapa: co dokładnie udało się zmapować?

Konektom samca muszki owocowej to gigantyczny zbiór danych, który precyzyjnie opisuje całą architekturę jego centralnego układu nerwowego.

Stworzenie tej mapy pozwala naukowcom śledzić przepływ informacji przez cały układ nerwowy – od neuronów sensorycznych w oczach, przez centra decyzyjne w mózgu, aż po neurony motoryczne kontrolujące ruch nóg. Jak ujął to Greg Jefferis, jeden z liderów projektu: „Zasadniczo pozwala nam to przejść od oczu do nóg za jednym razem”.

Dlaczego płeć ma znaczenie? Przełom w badaniu zachowań

Samce i samice muszek owocowych, choć na pierwszy rzut oka podobne, wykazują drastycznie różne zachowania, zwłaszcza w kontekście społecznym, takim jak zaloty i agresja. Nowy konektom pozwala wreszcie zajrzeć do biologicznych podstaw tych różnic.

Kluczowym odkryciem jest istnienie tzw. neuronów dymorficznych płciowo. Są to komórki nerwowe obecne u obu płci, ale połączone w zupełnie inny sposób. Męski neuron może łączyć się z innymi neuronami specyficznymi tylko dla samców, podczas gdy jego żeński odpowiednik tworzy zupełnie inne obwody.

Gerry Rubin, lider grupy badawczej z Janelia, podkreśla znaczenie tego odkrycia: „Po raz pierwszy możemy porównać obie płci zwierzęcia o złożonych zachowaniach społecznych. […] To pozwala nam teraz łatwo zidentyfikować neurony, które powodują te różnice”.

Jak powstaje konektom? Połączenie mikroskopu i sztucznej inteligencji

Stworzenie tak szczegółowej mapy było technologicznym majstersztykiem. Proces ten wymagał połączenia najnowocześniejszych technik obrazowania z potężnymi algorytmami AI.

1. Obrazowanie: Mózg muszki został pocięty na tysiące ultracienkich plasterków, a każdy z nich zobrazowany z nanometrową precyzją przy użyciu mikroskopu elektronowego.

2. Rekonstrukcja: Algorytmy uczenia maszynowego analizowały te obrazy, automatycznie identyfikując i śledząc wypustki poszczególnych neuronów przez wszystkie warstwy.

3. Weryfikacja: Zespół ludzkich ekspertów (korektorów) weryfikował i poprawiał wyniki pracy algorytmów, zapewniając najwyższą jakość i dokładność finalnej mapy.

Wszystkie dane, wraz z narzędziami do ich analizy, zostały udostępnione publicznie, co pozwala naukowcom na całym świecie korzystać z tego bezcennego zasobu.

Co dalej? Mapa to dopiero początek

Opublikowanie konektomu samca to nie koniec, a początek nowej ery w badaniach. Zespół już pracuje nad kolejnymi projektami:

• Konektom samicy: Trwa rekonstrukcja kompletnego OUN samicy, co pozwoli na bezpośrednie, szczegółowe porównanie obu płci.

• Inne organizmy: Prowadzone są prace nad mapowaniem mózgów innych kluczowych organizmów modelowych, takich jak larwy danio pręgowanego.

• Udoskonalenie technologii: Rozwijane są nowe narzędzia obrazowania i algorytmy AI, które jeszcze bardziej przyspieszą i zautomatyzują proces tworzenia konektomów.

Te mapy mózgu fundamentalnie zmieniają sposób, w jaki rozumiemy działanie układu nerwowego. Odkrycie, jak mózg przetwarza informacje i przekształca je w działanie, jest kluczowe nie tylko dla biologii, ale także dla zrozumienia podstaw chorób neurologicznych i psychicznych u ludzi.

Najczęściej zadawane pytania (FAQ)

1. Dlaczego do tak zaawansowanych badań wybrano właśnie muszkę owocową?
   Muszka owocowa, mimo niewielkich rozmiarów, posiada złożony repertuar zachowań (uczenie się, pamięć, sen, zaloty). Jej układ nerwowy jest wystarczająco mały, by można go było zmapować w całości przy obecnej technologii, a jednocześnie wystarczająco skomplikowany, by jego badanie dostarczyło fundamentalnej wiedzy o ogólnych zasadach działania mózgu.

2. Czy konektom każdego samca muszki owocowej jest identyczny?
   Nie. Opublikowany konektom jest reprezentatywnym wzorcem dla gatunku. Podobnie jak u ludzi, u muszek występują drobne, indywidualne różnice w połączeniach nerwowych. Jednak ogólna architektura, typy komórek i główne szlaki neuronalne są stałe i charakterystyczne dla gatunku i płci.

3. Jak duży jest zbiór danych tworzący ten konektom?
   Zbiory danych wykorzystywane w konektomice są ogromne, liczone w petabajtach (milionach gigabajtów). Surowe obrazy z mikroskopu elektronowego dla jednego mózgu muszki to jeden z największych zbiorów danych, jakie kiedykolwiek wygenerowano w biologii.

4. Czy ta wiedza może pomóc w leczeniu chorób ludzkiego mózgu?
   Tak, pośrednio. Wiele podstawowych mechanizmów działania neuronów i obwodów nerwowych jest ewolucyjnie konserwowanych, co oznacza, że są one podobne u muszek i ludzi. Zrozumienie, jak zdrowy mózg muszki jest „zbudowany” i jak działa, pomaga tworzyć hipotezy dotyczące tego, co dzieje się nie tak w chorobach takich jak Parkinson, Alzheimer czy schizofrenia.

5. Czym różni się neuron „dymorficzny” od neuronu „specyficznego płciowo”?
   Neuron specyficzny płciowo występuje tylko u jednej płci (np. tylko u samców). Neuron dymorficzny występuje u obu płci, ale jego struktura lub sieć połączeń (z kim się łączy) jest inna u samców i samic, co prowadzi do odmiennych funkcji w zależności od płci.