В октябре в журнале Nature вышел спецвыпуск, посвященный одному из самых громких событий в нейробиологии за прошлый год. В двух основных статьях, а также семи работах, демонстрирующих применение полученных данных, рассматривается полный коннектом мозга взрослой плодовой мухи дрозофилы (Drosophila melanogaster).
Американские, британские, израильские и немецкие ученые в составе международного консорциума FlyWire, представили систематическое и иерархическое описание примерно 140 тысяч нейронов и почти 55 миллионов их соединений, что делает этот коннектом самым сложным среди описанных на сегодняшний день.
Коннектом представляет собой подробное описание структур нейронов и их синаптических связей, что позволяет лучше понять функциональность мозга и нервной системы в целом. Уже много лет исследователи мечтают создать коннектом человека но пока что ни одни текущие исследовательские возможности не в состоянии объединить информацию об около 86 миллиардах нейронов и более чем 100 триллионах синапсов. Поэтому ученые начинают свои изыскания с более простых организмов.
До работ с дрозофилой цельные коннектомы были нанесены на карту нейробиологии только для трех организмов с несколькими сотнями нейронов: круглого червя Caenorhabditis elegans, личиночного моллюска Ciona intestinalis и многощетинковый червя Platynereis dumerilii. В 2013 году исследователи из Японии успешно создали модель коннектома для одного полушария мозга дрозофилы (если корректно употреблять слово «полушарие» к мозгу такого простого существа, но авторы статьи это сделали). К 2020 году международная команда завершила составление синаптической карты центральной области мозга этого насекомого, а в 2023 году ученые из США и Великобритании объединили все синаптические связи в мозге личинки дрозофилы.
Исследовательская группа из Принстонского университета инициировала консорциум FlyWire, в рамках которого предполагалось создать всеобъемлющий коннектом взрослой дрозофилы. Они использовали электронно-микроскопические изображения мозга мухи с высоким разрешением – в общей сложности около 100 теравокселей (воксель – объемный пиксель). Для обеспечения точности консорциум разработал алгоритмы сопоставления изображений и применил методы машинного обучения для реконструкции отдельных нейронов. Чтобы устранить возможные ошибки, они создали вычислительную базу, в которой приняли участие ученые и добровольцы со всего мира, посвятившие этому проекту 33 человеко-года. Полученные данные исследователи сопоставили с результатами других визуализационных исследований, которые позволили выявить синапсы и оценить их возбуждающую или тормозную роль.
В результате совместных усилий команд Принстона, Кембриджа и Университета Вермонта удалось получить схему всех нейронных связей у взрослой самки дрозофилы. Эта схема включает 139555 нейронов с 54,5 миллионами синапсов. Каждый тип нейронов ассоциировался с определенными биомаркерами, связанными с их морфологией и происхождением из нейробластов (стволовых нейрональных клеток). Всего было идентифицировано и иерархически упорядочено 8453 типа клеток, из которых 4581 ранее не описывались. Эти типы клеток разделены на девять суперклассов: сенсорные, моторные, эндокринные, восходящие, нисходящие, зрительные проекционные, зрительные центробежные, связывающие центральные отделы и зрительные доли.
Согласно результатам исследования, 118501 нейрон устанавливает связи в мозге – 32388 в центральном отделе и 77536 в зрительных долях (за исключением фоторецепторов). Эти области связаны между собой 8053 проекционными нейронами и 524 центробежными зрительными нейронами. Афферентных (восходящих) и эфферентных (нисходящих) нейронов в мозге от общего числа 13,9% и 1,1%. Кроме того, 5512 нейронов центрального мозга получают сенсорный сигнал, а 2362 собирают информацию от восходящих нервных путей. Эфферентные пути состоят из 1303 нисходящих нейронов, 106 двигательных нейронов и 80 эндокринных нейронов. Хотя большинство мультисинаптических связей включает менее десяти синапсов, почти 16000 нейронов формируют более ста синапсов, а 27000 имеют более тысячи синапсов.
Взяв за основу синаптический коннектом, исследователи рассчитали проектом – отображение проекций в различных частях нейропиля (густой сети немиелинизированных нервных волокон). Этот анализ проводился для каждого низкомолекулярного нейромедиатора: дофамина, ацетилхолина, серотонина, глутамата, гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК) и октопамина. Авторы также изучили информационные потоки в нервной системе мухи в ответ на различные стимулы.
Полный набор данных коннектома находится в открытом доступе на сайте FlyWire. С момента первоначального выпуска в 2020 году на основе этих данных опубликовано более 50 научных работ. Среди тем – статистический анализ сетей коннектома и выявление ключевых функциональных нейронов («интеграторов» и «передатчиков»), сети, регулирующие прекращение движения насекомых, компьютерное моделирование общей активности мозга и другие.
Кстати, насчет двигательной активности и других функций. У мухи оказалась весьма сложно организованная сеть нейронов, обрабатывающих визуальные стимулы. И эта схема – только то, что остается внутри зрительных долей мозга.
Одни из самых больших – это гигантские амакриновые CT1-клетки, которых по одной в каждом из полушарий. Но они функционируют как 750 отдельно взятых нейрона и позволяют мухе среагировать на увеличение или снижение освещенности.
Кроме них есть «слуховые» клетки, позволяющие самкам слушать жужжание самцов (аналог брачных песен), а также отдельные клетки для принятия решения о том, насколько это жужжание хорошо. Несколько типов клеток отвечает за движения: отдельные – за распознавание горизонтальных и вертикальных, другой тип (клетки Болта в честь Усейна Болта) – за быстрое движение вперед, третий тип – за движение назад задом наперед (клетки лунной походки), четвертый тип – за плавную или резкую остановку. Также присутствует навигационная система в виде EPG-клеток, которая формирует в мозге мухи структуру, похожую на кольцо.
Авторы проекта, давая к этим данным открытый доступ, справедливо считают, что они помогут продвинуться и другим ученым в понимании работы мозга и в дополнении уже существующей картины самого сложно устроенного органа.
Текст: Анна Хоружая