Ученые впервые составили полную карту нервной системы плодовой мухи

Исследователи из американского исследовательского кампуса Дженелия (входит в Институт Говарда Хьюза, Howard Hughes Medical Institute) завершили создание полной карты нервных связей мозга взрослой плодовой мухи. В работе, опубликованной в журнале Cell, описано более 166 тысяч нейронов и миллионы соединений между ними. Это первая в мире полная схема центральной нервной системы насекомого, которая позволяет проследить, как сигналы от органов чувств превращаются в сложные действия, и открывает новые горизонты для понимания работы мозга в целом.

Когда в 2008 году группа ученых из Howard Hughes Medical Institute объявила о намерении составить детальную карту всех нейронов в мозге плодовой мухи, коллеги восприняли это как безумство. Ведь за двадцать лет до того исследователи потратили более десяти лет на составление схемы связей всего 302 нейронов крошечного червя. А тут речь шла о ста тысячах клеток – казалось, что работа займет десятилетия и потребует невероятных средств, а польза от нее будет сомнительной.

Однако основатель исследовательского кампуса Дженелия Джерри Рубин видел ситуацию иначе. Он считал, что без подробной схемы соединений невозможно всерьез понять, как мозг управляет поведением. Вместо того чтобы отступать, он сделал ставку на технологии: новые методы микроскопии и компьютерной обработки изображений могли сократить время и стоимость работы в тысячи раз.

Главным техническим прорывом стало усовершенствование микроскопии: ученые научились получать исключительно четкие и тонкие срезы мозга, чтобы различать отдельные нейроны и их отростки. Параллельно специалисты по вычислительным методам, в том числе из Google Research, создали алгоритмы, которые автоматизировали расшифровку огромных массивов изображений. Благодаря этому процесс, который раньше требовал ручного труда, стал намного быстрее.

Путь к полной карте был долгим. Сначала исследователи составили схемы небольших участков мозга, затем, в 2020 году, представили карту половины мозга мухи – на тот момент самую большую и детальную в истории. Этот промежуточный результат стал поворотным моментом: нейробиологи со всего мира убедились, что коннектом дает реальные открытия, и интерес к проекту резко вырос. Ученые начали находить новые цепи, отвечающие за восприятие, движение и принятие решений.

Теперь же опубликована полная карта центральной нервной системы самца мухи, включающая не только мозг, но и брюшную нервную цепочку – аналог спинного мозга. Всего в схеме 166 700 нейронов и миллионы синапсов, причем каждый нейрон проверен и классифицирован. Это позволяет впервые проследить полный путь сигнала от сенсорного входа (например, от глаз или вкусовых рецепторов) до команды мышцам, которая реализует конкретное поведение – например, уклонение от препятствия или поиск пищи.

Особый интерес представляет сравнение мужского и женского мозга. Выяснилось, что основные сенсорные и двигательные цепи устроены у обоих полов практически одинаково, а различия сосредоточены в высших отделах мозга. Там находятся специальные «переключатели», которые перенаправляют один и тот же входной сигнал по разным поведенческим маршрутам. Благодаря этому самцы и самки могут по-разному реагировать на одни и те же внешние стимулы, например, при ухаживании или агрессии. Ученые обнаружили около сотни типов нейронов, характерных только для самцов, которые образуют густую сеть, координирующую типично мужское поведение.

Кроме того, карта зрительной системы показала, что обработка визуальной информации затрагивает более половины всех типов нейронов мозга – зрение оказывается гораздо более распределенным процессом, чем считалось ранее. А полная схема вкусовой системы раскрывает, как сигналы привлекательности и отвращения соединяются с цепями, управляющими питанием, движением и даже выделением гормонов. Это дает ключ к пониманию того, как внутреннее состояние организма влияет на вкусовые предпочтения и решения.

Теперь ученые переносят накопленный опыт на позвоночных животных. Уже ведутся работы по созданию коннектома мозга личинок рыб данио-рерио, причем туда планируют добавить данные об активности нейронов во время реального поведения. В планах и карта прозрачной рыбки Danionella, у которой виден мозг в течение всей жизни. Параллельно запущен проект по созданию молекулярно аннотированных коннектомов, где к схеме связей добавляется информация о химических сигналах между клетками.

Сам Джерри Рубин, который руководил проектом почти два десятилетия, признается, что это самая долгая научная цель в его жизни. Он испытывает огромную гордость за свою команду, ведь они не только выполнили невероятно сложную задачу, но и изменили отношение научного мира к коннектомике. То, что казалось невозможным, стало реальностью – и теперь на основе этой карты сотни лабораторий по всему миру делают новые открытия о том, как устроена работа мозга.

Коротко о результате: итак, создана первая полная карта нервных связей центральной нервной системы плодовой мухи – уникальный ресурс, который уже помогает ученым расшифровывать механизмы поведения, сравнивать мозг самцов и самок, а также понимать, как сенсорные сигналы превращаются в действия. Этот проект доказал, что коннектомы сложных животных возможны и крайне полезны, и теперь его методы и выводы станут основой для изучения мозга позвоночных, включая рыб, а в перспективе, возможно, и млекопитающих.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях