Wissenschaftler kartieren das Gehirn von Fruchtfliegen, um Informationen über neuronale Schaltkreise zu erhalten

Ein von der BRAIN-Initiative des National Institutes of Health (NIH) unterstütztes Wissenschaftlerteam, darunter Davi Bock, Ph.D., außerordentlicher Professor für neurologische Wissenschaften am Robert Larner, MD College of Medicine am UVM, hat kürzlich erhebliche Fortschritte in der neurobiologischen Forschung erzielt durch die erfolgreiche Kartierung des gesamten Gehirns von Drosophila melanogaster, besser bekannt als Fruchtfliege.

Die Studie mit dem Titel „Whole-brain annotation and multi-connectome cell typing in Drosophila“ wurde in veröffentlicht Naturerstellte einen „Konsensus-Zelltypatlas“ oder einen umfassenden Leitfaden zum Verständnis der verschiedenen Zelltypen im Gehirn von Fruchtfliegen. Das Gehirn der Fruchtfliege enthält etwa 130.000 Neuronen (das menschliche Gehirn enthält 86 Milliarden; Mäuse, die in wissenschaftlichen Forschungen und Tests oft den Menschen ersetzen, haben 100 Millionen Neuronen).

Der elektronenmikroskopische Datensatz, der dem Konnektom des gesamten Gehirns (bekannt als FAFB oder „Full Adult Fly Brain“) zugrunde liegt, nutzt die detaillierten Formen jedes Neurons im Fliegengehirn sowie alle synaptischen Verbindungen zwischen ihnen, um alle Zelltypen zu identifizieren und zu katalogisieren. im Gehirn.

Diese umfassende Karte wird Forschern dabei helfen, herauszufinden, wie verschiedene Schaltkreise zusammenarbeiten, um Verhaltensweisen wie Motorik, Balz, Entscheidungsfindung, Gedächtnis, Lernen und Navigation zu steuern.

„Wenn wir verstehen wollen, wie das Gehirn funktioniert, brauchen wir ein mechanistisches Verständnis dafür, wie alle Neuronen zusammenkommen und das Denken ermöglichen“, bemerkte Gregory Jefferis, Ph.D., Co-Leiter der Studie.

„Bei den meisten Gehirnen haben wir keine Ahnung, wie diese Netzwerke funktionieren. Jetzt haben wir ausnahmsweise diesen vollständigen Schaltplan, ein wichtiger Schritt zum Verständnis komplexer Gehirnfunktionen. Tatsächlich nutzen wir unsere Daten, die während unserer Arbeit online geteilt wurden, von anderen Wissenschaftlern.“ haben bereits damit begonnen, zu simulieren, wie das Gehirn der Fliege auf die Außenwelt reagiert.

„Um mit der digitalen Simulation des Gehirns zu beginnen, müssen wir nicht nur die Struktur des Gehirns kennen, sondern auch, wie Neuronen funktionieren, um sie ein- und auszuschalten“, sagte Jefferis.

„Anhand unserer Daten, die während unserer Arbeit online geteilt wurden, haben andere Wissenschaftler bereits damit begonnen, zu simulieren, wie das Gehirn der Fliege auf die Außenwelt reagiert. Das ist ein wichtiger Anfang, aber wir müssen viele verschiedene Arten von Daten sammeln, um zuverlässige Ergebnisse zu erzielen.“ Simulationen der Funktionsweise eines Gehirns.

Während ähnliche Studien mit einfacheren Organismen wie dem Nematodenwurm C. elegans und dem Larvenstadium der Fruchtfliege durchgeführt wurden, bietet die erwachsene Fruchtfliege komplexere Verhaltensweisen für die Untersuchung. Obwohl das Gehirn der Fruchtfliege deutlich weniger komplex ist als das eines Menschen oder sogar einer Maus, sind die Auswirkungen der Studie tiefgreifend.

Es gibt enorme Gemeinsamkeiten in der Art und Weise, wie neuronale Schaltkreise verschiedener Arten Informationen verarbeiten. Diese Arbeit ermöglicht es, die Prinzipien der Informationsverarbeitung in einem einfacheren Modellorganismus zu identifizieren und anschließend in größeren Gehirnen zu suchen.

Bock weist darauf hin, dass Wissenschaftler derzeit nicht in der Lage sind, diesen Ansatz auf das menschliche Gehirn auszudehnen, sagt jedoch, dass diese Leistung einen bemerkenswerten Schritt auf dem Weg zum vollständigen Konnektom des Mausgehirns darstellt.

„Diese Art von Arbeit [being done across this field of connectomics] bringt den Stand der Technik auf jahrhundertealte Weise voran und ermöglicht es uns, sowohl die Formen und Verbindungen jedes einzelnen Neurons im gesamten Gehirn eines ziemlich hochentwickelten Tieres, der erwachsenen Fruchtfliege, abzubilden als auch das Ergebnis zu kommentieren und zu nutzen Verbindung mit modernster Analysesoftware“, sagte Bock.

„Weder die optische Mikroskopie, selbst mit mehrfarbiger Fluoreszenz, noch die klassische Golgi-Methode und ihre verwandten Ansätze haben diese Fähigkeit bereitgestellt.

„Diese Leistung auf der Gesamthirnebene eines wichtigen genetischen Modellorganismus wie der Fruchtfliege zu erreichen, stellt einen bemerkenswerten Fortschritt auf diesem Gebiet dar.“

Diese Studie nutzt Tools und Daten, die vom FlyWire-Konsortium generiert wurden, zu dem Studienleiter wie Bock von UVM gehören; Gregory Jefferis, Ph.D., und Philipp Schlegel, Ph.D., vom MRC Laboratory of Molecular Biology und der University of Cambridge; und Sebastian Seung, Ph.D. und Mala Murthy, Ph.D., von der Princeton University.

Das Konsortium verwendete elektronenmikroskopische Gehirnbilder, die zuvor in Bocks Labor erstellt wurden, um eine detaillierte Karte der Verbindungen zwischen Neuronen im erwachsenen Gehirn einer weiblichen Fruchtfliege zu erstellen. Diese Karte umfasst etwa 50 Millionen chemische Synapsen zwischen den oben genannten 139.255 Neuronen der Fliege.

Die Forscher fügten außerdem Informationen über verschiedene Zelltypen, Nerven, Entwicklungslinien und Vorhersagen über die von Neuronen verwendeten Neurotransmitter hinzu. Das Open-Access-Datenanalysetool Connectome Data Explorer von FlyWire ist zugänglich und zum Download verfügbar und kann interaktiv navigiert werden, ganz im Sinne der Förderung der Teamwissenschaft. Diese Arbeit wird in einem Begleitdokument detailliert beschrieben Natur Artikel „Neuronales Schaltplan eines erwachsenen Gehirns“.

„Wir haben die gesamte Datenbank offen und für alle Forscher frei verfügbar gemacht. Wir hoffen, dass dies für Neurowissenschaftler, die versuchen, besser zu verstehen, wie ein gesundes Gehirn funktioniert, einen Wandel bewirken wird“, sagte Murthy. „Wir hoffen, dass wir in Zukunft vergleichen können, was passiert, wenn in unserem Gehirn etwas schiefläuft, zum Beispiel bei psychischen Problemen.“

Durch die Verfolgung der Verbindungen von Sinneszellen zu Motoneuronen können Forscher potenzielle Schaltkreismechanismen aufdecken, die das Verhalten von Fruchtfliegen steuern, was einen entscheidenden Schritt zum Verständnis der Komplexität menschlicher Kognition und Verhaltensweisen darstellt.

„Die kleine Fruchtfliege ist überraschend raffiniert und dient seit langem als aussagekräftiges Modell zum Verständnis der biologischen Grundlagen des Verhaltens“, sagte John Ngai, Ph.D., Direktor der NIH BRAIN-Initiative.

„Dieser Meilenstein stellt Forschern nicht nur eine Reihe neuer Werkzeuge zur Verfügung, um zu verstehen, wie Schaltkreise im Gehirn das Verhalten bestimmen, sondern dient, was noch wichtiger ist, als Vorläufer für die laufenden Bemühungen, die Verbindungen der größeren Gehirne von Säugetieren und Menschen zu kartieren.“