20 Milyon Kolay Adımda Sinek Beynin Haritası Nasıl Yapılır?

Bir meyve sineğinin beyni, haşhaş tohumu büyüklüğündedir ve gözden kaçırmak bir o kadar kolaydır.

Virginia’daki Howard Hughes Tıp Enstitüsü’nün Janelia Araştırma Kampüsü’nde nörobilimci olan Vivek Jayaraman, “Çoğu insan, bence, sineğin beyni olduğunu düşünmüyor bile” dedi. “Ama elbette sinekler oldukça zengin hayatlar sürüyor. ”

Sinekler, çeşitli manzaralarda gezinmek, rakiplerle boğuşmak ve potansiyel eşlerine serenat yapmak gibi karmaşık davranışlara sahiptir. Ve benek büyüklüğündeki beyinleri, aralarında yaklaşık 100.000 nöron ve on milyonlarca bağlantı veya sinaps içeren son derece karmaşıktır.

2014’ten beri Janelia’daki bir bilim insanı ekibi, Google’daki araştırmacılarla işbirliği içinde, meyve sineği beyninin bir bağlantı olarak da bilinen kapsamlı bir bağlantı şemasını oluşturmak amacıyla bu nöronları ve sinapsları haritalıyor.

Devam eden çalışma, son teknoloji makine öğrenimi algoritmalarının yardımıyla bile zaman alıcı ve pahalıdır. Ancak şimdiye kadar yayınladıkları veriler, ayrıntılarıyla çarpıcıdır ve sinek beyninin birçok önemli bölgesinde on binlerce boğumlu nörondan oluşan bir atlası oluşturur.

Ve şimdi, Salı günü eLife dergisinde yayınlanan muazzam yeni bir makalede, sinirbilimciler bununla neler yapabileceklerini göstermeye başlıyorlar.

Dr. Jayaraman ve meslektaşları, navigasyonda önemli bir rol oynayan merkezi kompleks olan sinek beyninin sadece küçük bir bölümünün bağlaçlarını analiz ederek, sineklerin yollarını bulmalarına yardımcı olan düzinelerce yeni nöron tipi ve kesin olarak belirlenmiş nöral devreler belirlediler. dünya üzerinden. Çalışma, nihayetinde, bizimki de dahil olmak üzere her türlü hayvan beyninin bir duyusal bilgi akışını nasıl işlediğine ve uygun eyleme nasıl dönüştürdüğüne dair fikir sağlamaya yardımcı olabilir.

Aynı zamanda, beynin bağlantılarının ayrıntılı diyagramlarını oluşturmanın bilimsel getiriler sağlayacağı vaadi üzerine inşa edilmiş olan modern kontektomiğin genç alanı için bir ilke kanıtıdır.

Seattle’daki Allen Beyin Bilimi Enstitüsü’nün kıdemli araştırmacılarından Dr. Clay Reid, yeni makale hakkında “Gerçekten olağanüstü” dedi. “Bence buna bakan herkes, konektomiğin sinirbilimde ihtiyacımız olan bir araç olduğunu söyleyecektir – tam dur. ”

‘Sinek beyniniz pişmiş’

Hayvanlar alemindeki tek eksiksiz bağ, mütevazı yuvarlak solucan C. elegans’a aittir. Daha sonra Nobel Ödülü kazanacak olan öncü biyolog Sydney Brenner, projeye 1960’larda başladı. Küçük ekibi, 302 nöronun tamamını elle izlemek için renkli kalemler kullanarak yıllarını harcadı.

Daha sonra yeni C. elegans bağlaçları oluşturmak için dijital teknikleri kullanan Albert Einstein Tıp Fakültesi’nde nörobilimci ve genetikçi olan Scott Emmons, “Brenner, sinir sistemini anlamak için onun yapısını bilmeniz gerektiğini fark etti” dedi. “Ve bu biyoloji için geçerli. Yapı çok önemli. ”

Brenner ve meslektaşları, 1986’da 340 sayfaya ulaşan dönüm noktası niteliğindeki makalelerini yayınladılar.

Ancak modern konektomi alanı, görüntüleme ve hesaplamadaki ilerlemelerin sonunda daha büyük beyinlerdeki bağlantıları haritalamayı mümkün kıldığı 2000’li yıllara kadar yükselmedi. Son yıllarda, dünyanın dört bir yanındaki araştırma ekipleri zebra balığı, ötücü kuşlar, fareler, insanlar ve daha fazlasının bağlantılarını birleştirmeye başladı.

Janelia Araştırma Kampüsü 2006’da açıldığında, kurucu direktörü Gerald Rubin gözünü meyve sineğine dikmişti. Dr. Rubin, “Solucan meslektaşlarımdan hiçbirini gücendirmek istemiyorum ama bence sinekler, gerçekten ilginç, karmaşık davranışlar sergileyen en basit beyindir” dedi.

Janelia’daki birkaç farklı ekip, o zamandan beri, sinek bağlantısı projelerine girişti, ancak yeni makaleye yol açan çalışma, 2014’te, beş günlük tek bir dişi meyve sineğinin beyni ile başladı.

Araştırmacılar sinek beynini dilimler halinde kestiler ve daha sonra onları katman katman özenli bir şekilde görüntülemek için odaklanmış iyon ışını taramalı elektron mikroskobu olarak bilinen bir teknik kullandılar. Mikroskop esasen çok küçük, çok hassas bir tırnak törpüsü gibi işlev gördü, beynin aşırı ince bir tabakasını törpüledi, maruz kalan dokunun bir resmini çekti ve ardından hiçbir şey kalmayana kadar işlemi tekrarladı.

“Sinek beyninin küçük dilimlerini aynı anda görüntülüyorsunuz ve kesiyorsunuz, böylece işiniz bittiğinde var olmayacaklar,” dedi Dr. Jayaraman. “Yani bir şeyi batırırsan, işin biter. Kazınız pişirilir – ya da sinek beyniniz pişirilir. ”

Ekip daha sonra elde edilen milyonlarca görüntüyü tek, üç boyutlu bir hacimde birleştirmek için bilgisayarlı görü yazılımı kullandı ve Google’a gönderdi. Orada araştırmacılar, her bir nöronu tanımlamak ve büküm dallarını izlemek için gelişmiş makine öğrenimi algoritmaları kullandılar.

Son olarak, Janelia ekibi sinapsları tam olarak belirlemek için ek hesaplama araçları kullandı ve insan araştırmacılar bilgisayarların çalışmasını düzelterek hataları düzeltti ve bağlantı şemalarını geliştirdi.

Geçen yıl, araştırmacılar, uyku, öğrenme ve navigasyon için çok önemli olan bölgeleri ve yapıları içeren merkezi sinek beyninin büyük bir kısmı olan “hemibrain” olarak adlandırdıkları şey için bir bağlantı yayınladılar.

Çevrimiçi olarak ücretsiz olarak erişilebilen bağlaç, yaklaşık 25.000 nöron ve 20 milyon sinaps içerir; bu, C. elegans bağlacından çok daha fazladır.

New York’taki Rockefeller Üniversitesi’nden bir sinirbilimci olan Cori Bargmann, “Bu dramatik bir büyüme” dedi. “Bu, beynin bağlanabilirliğini çözme hedefine doğru muazzam bir adım. ”

Yönlendirmeye hoş geldiniz

Yarı beyin konektomu hazır olduğunda, uçuş navigasyonunun sinirbilimi konusunda uzman olan Dr. Jayaraman, merkezi kompleksteki verilere dalmak için can atıyordu.

Yaklaşık 3.000 nöron içeren ve tüm böceklerde bulunan beyin bölgesi, sineklerin dünyayla olan uzamsal ilişkilerinin içsel bir modelini oluşturmalarına ve daha sonra aç olduklarında yiyecek aramak gibi durumlarına uygun davranışları seçip yürütmelerine yardımcı olur.

“Bana böyle bir şeyin bağlantı şemasını verebileceğini mi söylüyorsun?” Dr. Jayaraman dedi. “Bu, Apple iPhone hakkında bilgi edinerek elde edebileceğinizden daha iyi bir endüstriyel casusluk. ”

O ve meslektaşları, bölgenin sinir devrelerinin nasıl bir araya getirildiğini inceleyerek bağlantı verilerini incelediler.

Örneğin, Dr. Jayaraman’ın laboratuvarında doktora sonrası araştırmacı olan Hannah Haberkern, sineğin iç pusulası gibi davranan halka şeklindeki bir yapı olan elipsoid gövdeye duyusal bilgi gönderen nöronları analiz etti.

Dr. Haberkern, birçok hayvanın navigasyon için kullandığı küresel bir çevresel işaret olan ışığın kutuplaşması hakkında bilgi ilettiği bilinen nöronların, diğer görsel özellikler ve işaretler hakkında bilgi ileten nöronlardan daha fazla pusula nöronlarıyla bağlantı kurduğunu buldu.

Işığın polarizasyonuna adanmış nöronlar, diğer yön bulma ipuçları hakkında bilgi sağlayan beyin hücrelerine de bağlanır ve güçlü bir şekilde inhibe etme yeteneğine sahiptir.

Araştırmacılar, uçan beyinlerin, seyir halindeyken küresel çevre hakkındaki bilgilere öncelik verecek şekilde kablolanmış olabileceğini – ama aynı zamanda bu devrelerin esnek olduğunu, böylece bu tür bilgiler yetersiz olduğunda, yerel özelliklerine daha fazla dikkat edebileceklerini varsayıyorlar. manzara. Dr. Haberkern, “Bütün bu geri dönüş stratejilerine sahipler,” dedi.

Meyve sineği telefon ev

Araştırma ekibinin diğer üyeleri, sineğin baş ve vücut yönelimini takip etmesine, gelecekteki yönelimini ve seyahat yönünü tahmin etmesine, mevcut yönelimini istenen başka bir konuma göre hesaplamasına ve ardından o yöne hareket etmesine yardımcı olmak için çok uygun görünen belirli sinir yolları belirledi. .

Örneğin, aç bir sineğin, daha iyi bir şey yapıp yapamayacağını görmek için çürüyen bir muzu geçici olarak terk ettiğini hayal edin. Ancak (kelimenin tam anlamıyla) sonuçsuz birkaç dakikalık keşiften sonra, önceki yemeğine dönmek istiyor.

Bağlantı verileri, teknik olarak PFL3 nöronları olarak bilinen belirli beyin hücrelerinin, sineğin bu manevrayı yapmasına yardımcı olduğunu gösteriyor. Bu nöronlar iki kritik girdi alırlar: Sineğin baktığı yönü izleyen nöronlardan ve muzun yönünü takip eden nöronlardan sinyaller alırlar.

Bu sinyalleri aldıktan sonra, PFL3 nöronları daha sonra kendi mesajlarını bir dizi dönen nörona gönderir ve bu da sineğin doğru yöne sapmasını sağlar. Akşam yemeği tekrar servis edilir.

Analizin bu bölümünü yöneten Dr. Jayaraman’ın laboratuvarında araştırma bilimcisi olan Brad Hulse, “Bu devre aracılığıyla – duyusaldan motora, bu karmaşık ara devre aracılığıyla – bu aktiviteyi izleyebilmek gerçekten şaşırtıcı” dedi. Bağlayıcı, diye ekledi, “bize düşündüğümüzden çok daha fazlasını gösterdi. ”

Grubun taslağı 75 figür içeren ve 360 ​​sayfaya kadar uzanan makalesi sadece bir başlangıç.

İsveç’teki Lund Üniversitesi’nde böcek sinirbilimi uzmanı olan Stanley Heinze, “Bu beyin bölgesini daha fazla keşfetmek için bu temel gerçeği gerçekten sağlıyor” dedi. “Bu sadece son derece etkileyici. ”

Ve sadece düz muazzam. Dr. Heinze, “Ona gerçekten bir kağıt olarak değil, daha çok bir kitap olarak davranırdım” dedi.

Aslında, kağıt o kadar büyük ki, ön baskı sunucusu bioRxiv, belki de yöneticilerin – anlaşılır bir şekilde – aslında bir kitap olduğunu düşündükleri için yayınlamayı reddetti, dedi Dr. Jayaraman. (Sunucu en sonunda çalışmayı yayınladı, birkaç günlük ekstra işlemden sonra, kaydetti.)

Dr. Jayaraman, makalenin eLife dergisinde yayınlanması için “bazı özel izinler ve editör kadrosuyla karşılıklı olarak gerekliydi” diye ekledi.

Uçuş dersleri

Tek bir beynin anlık görüntüsünün zaman içinde tek bir anda ortaya çıkarabileceği sınırlamalar vardır ve konektomlar bir hayvan beynindeki ilgi çekici her şeyi yakalamaz. (Janelia’nın hemibrain bağlacı, örneğin beyinde her türlü önemli görevi yerine getiren glial hücreleri atlar.)

Jayaraman ve meslektaşları, diğer birçok bilim insanı tarafından onlarca yıl önce, meyve sineği davranışı ve temel nöron fizyolojisi ve işlevi ile teorik sinirbilim üzerine yapılan araştırmalar olmasaydı, bağlantıdan bu kadar çok şey çıkaramayacaklarını vurguladılar. İş.

Ancak bağlantı şemaları, araştırmacıların mevcut teorileri araştırmalarına ve daha iyi hipotezler üretmelerine, hangi soruların sorulacağını ve hangi deneylerin gerçekleştirileceğini bulmalarına yardımcı olabilir.

“Şimdi gerçekten heyecanlandığımız şey, konektomun ilham verdiği fikirleri alıp mikroskoba geri dönmek, elektrotlarımıza geri dönmek ve beyni gerçekten kaydetmek ve bu fikirlerin doğru olup olmadığını görmek,” dedi Dr. Hulse .

Elbette, bir meyve sineğinin beyin devresinin neden önemli olduğu sorulabilir ve bazıları sorabilir.

Dr. Hulse, “Tatillerde bu bana çok soruluyor” dedi.

Sinekler, fare, şempanze veya insan değildir, ancak beyinleri aynı temel görevlerden bazılarını gerçekleştirir. . St. Louis’deki Washington Üniversitesi’nden bir sinirbilimci olan David Van Essen, bir böceğin temel sinir devrelerini anlamak, diğer hayvan beyinlerinin benzer sorunlara nasıl yaklaştığına dair önemli ipuçları sağlayabilir, dedi.

Sinek beyni hakkında derin bir anlayış kazanmak, “bize memelilerin ve hatta insan beyinlerinin ve davranışlarının anlaşılmasıyla çok ilgili içgörüler de veriyor” dedi.

Daha büyük, daha karmaşık beyinlerin bağlantılarını oluşturmak son derece zor olacaktır. Fare beyni yaklaşık 70 milyon, insan beyni ise 86 milyar nöron içerir.

Ancak merkezi karmaşık kağıt kesinlikle bir kerelik değil; Dr. Reid, bölgesel fare ve insan bağlaçlarıyla ilgili ayrıntılı çalışmaların şu anda boru hattında olduğunu söyledi: “Gelecek çok şey var. ”

Dergi editörleri, kendinizi uyarılmış sayın.