Ο πρώτος πλήρης χάρτης κάθε νευρώνα στον εγκέφαλο αποκαλύφθηκε

Φανταστείτε να κοιτάτε τον περίπλοκο και όμορφο χάρτη μιας ολόκληρης πόλης, αλλά η πόλη είναι στην πραγματικότητα ένας εγκέφαλος. Ακούγεται υπέροχο, έτσι δεν είναι; Λοιπόν, οι επιστήμονες το έχουν κάνει τώρα πραγματικότητα.

Οι ειδικοί δημιούργησαν το πρώτο διάγραμμα καλωδίωσης, ή «νευρικό δίκτυο», κάθε νευρώνα στον εγκέφαλο ενός ενήλικα, καθώς και τις 50 εκατομμύρια συνδέσεις μεταξύ τους, σηματοδοτώντας ένα ορόσημο στον τομέα της νευροεπιστήμης.

Πλήρες διάγραμμα συνδεσμολογίας εγκεφάλου

Αυτό το έργο έγινε δυνατό χάρη στην Κοινοπραξία FlyWire, μια μεγάλη διεθνή συνεργασία στην οποία συμμετέχουν επιστήμονες από όλο τον κόσμο MRC Laboratory of Molecular Biology Στο Κέμπριτζ, στο Πανεπιστήμιο Πρίνστον, στο Πανεπιστήμιο του Βερμόντ και στο Πανεπιστήμιο Πρίνστον Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ.

Έρευνα που δημοσιεύεται σε ζεύγος άρθρων σε περιοδικό φύσηΠαρέχει το πρώτο πλήρες διάγραμμα συνδεσιμότητας και των 139.255 νευρώνων στον εγκέφαλο μιας ενήλικης μύγας – ενός ζώου ικανού να περπατά και να βλέπει.

Προηγούμενες μελέτες έχουν χαρτογραφήσει μικρότερα συστήματα εγκεφάλου, όπως η προνύμφη της μύγας των φρούτων, η οποία έχει 3.016 νευρώνες ή ο νηματώδης σκουλήκι, ο οποίος έχει 302 νευρώνες.

Ωστόσο, η τρέχουσα μελέτη ανοίγει νέους δρόμους παρέχοντας έναν νευρωνικό χάρτη πλήρους κλίμακας ενός πιο πολύπλοκου οργανισμού.

Ανθρώπινοι εγκέφαλοι εναντίον εγκεφάλων μύγας

Η χαρτογράφηση κάθε νευρώνα στον εγκέφαλο της μύγας των ενηλίκων είναι ένα βασικό βήμα για την κατανόηση του τρόπου λειτουργίας του εγκεφάλου, συμπεριλαμβανομένου του δικού μας.

Η μύγα των φρούτων έχει περίπου 140.000 νευρώνες, ένας μικρός αριθμός σε σύγκριση με τους 86 δισεκατομμύρια νευρώνες στον ανθρώπινο εγκέφαλο, γεγονός που καθιστά πολύ πιο εύκολη τη μελέτη.

Οι επιστήμονες μπορούν να αναπαράγουν και να τροποποιήσουν γρήγορα μύγες, επιτρέποντάς τους να χειριστούν τη γενετική και να δουν πώς οι αλλαγές επηρεάζουν τα νευρικά κυκλώματα και τη συμπεριφορά.

Αυτή η απλότητα βοηθά τους ερευνητές να ανακαλύψουν τις βασικές αρχές της λειτουργίας του εγκεφάλου χωρίς να εμπλακούν σε υπερβολική πολυπλοκότητα.

Οι εγκεφαλικοί χάρτες παρέχουν πληροφορίες για τον ανθρώπινο εγκέφαλο

Είναι ενδιαφέρον ότι πολλές βιολογικές διεργασίες στις μύγες των φρούτων είναι πολύ παρόμοιες με αυτές στον άνθρωπο. Τα γονίδια και οι οδοί που ελέγχουν την ανάπτυξη του εγκεφάλου, τις συνδέσεις των νευρώνων και τη μάθηση συχνά διατηρούνται σε όλα τα είδη.

Χαρτογραφώντας τον εγκέφαλο της μύγας φρούτων, οι επιστήμονες μπορούν να μάθουν πώς λειτουργούν αυτές οι διαδικασίες σε ένα απλούστερο σύστημα και στη συνέχεια να εφαρμόσουν αυτές τις ιδέες σε πιο σύνθετους εγκεφάλους.

Επιπλέον, η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο επικοινωνούν οι νευρώνες στις μύγες αποκαλύπτει γενικά πρότυπα οργάνωσης και συμπεριφοράς των νευρικών κυκλωμάτων, τα οποία μπορούν να μας βοηθήσουν να κατανοήσουμε τις ανθρώπινες συμπεριφορές και τις γνωστικές λειτουργίες επίσης.

Τέλος, τα εργαλεία και οι τεχνικές που αναπτύχθηκαν για τη χαρτογράφηση του εγκεφάλου της Drosophila άνοιξαν το δρόμο για ανακαλύψεις στην έρευνα της νευροεπιστήμης. Καινοτομίες στην απεικόνιση, τη γενετική χειραγώγηση και την ανάλυση δεδομένων από μελέτες Drosophila μπορούν να προσαρμοστούν για τη μελέτη πιο περίπλοκων εγκεφάλων, συμπεριλαμβανομένου του δικού μας.

Οι γνώσεις από μύγες φρούτων θα μπορούσαν επίσης να βοηθήσουν στη μοντελοποίηση νευρολογικών ασθενειών και αναπτυξιακών διαταραχών, οδηγώντας σε πιθανές θεραπείες για τον άνθρωπο.

Συνεχής έρευνα στη νευροεπιστήμη

Τα ευρήματα παρέχουν πολύτιμες γνώσεις για τη δομή και τη λειτουργία του εγκεφάλου, παρέχοντας μια ζωτική σύγκριση με τη συνεχιζόμενη έρευνα στη νευροεπιστήμη.

«Αν θέλουμε να καταλάβουμε πώς λειτουργεί ο εγκέφαλος, χρειαζόμαστε μια μηχανιστική κατανόηση του τρόπου με τον οποίο όλοι οι νευρώνες ταιριάζουν μεταξύ τους και σας επιτρέπουν να σκεφτείτε για τους περισσότερους εγκεφάλους, δεν έχουμε ιδέα πώς λειτουργούν αυτά τα δίκτυα.

Ένας λεπτομερής χάρτης του εγκεφάλου της μύγας θα μπορούσε να απαντήσει σε πολλές από αυτές τις ερωτήσεις και να αποκαλύψει την πολυπλοκότητα των νευρικών κυκλωμάτων.

Ομοιότητες στην καλωδίωση του εγκεφάλου

Ένα από τα πιο αξιοσημείωτα ευρήματα της μελέτης είναι η ισχυρή ομοιότητα στις συνδέσεις που βρέθηκαν μεταξύ του τρέχοντος χάρτη και των προηγούμενων, μικρότερης κλίμακας προσπάθειες.

Αυτό οδήγησε στο συμπέρασμα ότι οι μεμονωμένοι εγκέφαλοι μοιράζονται εγγενείς ομοιότητες στην καλωδίωση τους, σε αντίθεση με την πεποίθηση ότι κάθε εγκέφαλος είναι μια μοναδική δομή.

Ένα ταξίδι χαρτογράφησης εγκεφάλου

Η διαδρομή προς αυτό το κατόρθωμα περιελάμβανε τον τεμαχισμό ενός ολόκληρου εγκεφάλου μύγας, που έχει πλάτος λιγότερο από ένα χιλιοστό, σε 7.000 λεπτές φέτες.

Αυτές οι φέτες στη συνέχεια εξετάστηκαν προσεκτικά χρησιμοποιώντας ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο υψηλής ανάλυσης για να εξαχθούν τα σχήματα περίπου 140.000 νευρώνων και οι 50 εκατομμύρια συνδέσεις μεταξύ τους.

Η δύναμη της τεχνητής νοημοσύνης

Το έργο της ανάλυσης αυτού του τεράστιου όγκου δεδομένων καθίσταται δυνατή με τη χρήση μηχανικής μάθησης, καταδεικνύοντας τις δυνατότητες της τεχνολογίας AI να φέρει επανάσταση στη νευροεπιστήμη.

Η διασφάλιση της ακρίβειας των δεδομένων απαιτεί κατ' εκτίμηση 33 χρόνια διόρθωσης. Παρά τις προκλήσεις, τα αποτελέσματα αυτής της αυστηρής προσπάθειας έχουν ανοίξει το δρόμο για μελλοντικές ανακαλύψεις στη νευροεπιστήμη.

Πέρα από την απλή δημιουργία νευρωνικών συνδέσεων, οι ερευνητές έλαβαν επίσης υπόψη πολλές λεπτομέρειες του διαγράμματος καλωδίωσης, όπως η ταξινόμηση περισσότερων από 8.000 τύπων κυττάρων στον εγκέφαλο.

«Αυτό το σύνολο δεδομένων μοιάζει λίγο με τους Χάρτες Google, αλλά για εγκεφάλους: το αρχικό διάγραμμα συνδεσιμότητας μεταξύ νευρώνων είναι σαν να γνωρίζουμε ποιες δομές στις δορυφορικές εικόνες της Γης αντιστοιχούν σε ποιους δρόμους και κτίρια», εξήγησε ο Δρ. Philipp Schlegel, πρώτος συγγραφέας ενός από τις σπουδές. σπουδές.

Προσομοίωση εγκεφαλικών λειτουργιών

Η εργασία των ερευνητών εκτείνεται πέρα ​​από την απλή χαρτογράφηση. Χρησιμοποίησαν επίσης τεχνολογία σάρωσης εικόνας AI για να προβλέψουν εάν κάθε σύναψη ήταν ανασταλτική ή διεγερτική, μια σημαντική πτυχή της ψηφιακής προσομοίωσης του εγκεφάλου.

«Χρησιμοποιώντας τα δεδομένα μας, τα οποία κοινοποιήθηκαν στο Διαδίκτυο καθώς εργαζόμασταν, άλλοι επιστήμονες έχουν ήδη αρχίσει να προσπαθούν να μιμηθούν τον τρόπο με τον οποίο ο εγκέφαλος της μύγας ανταποκρίνεται στον έξω κόσμο», είπε ο Δρ Jeffress.

«Αυτή είναι μια σημαντική αρχή, αλλά θα χρειαστεί να συλλέξουμε πολλούς διαφορετικούς τύπους δεδομένων για να δημιουργήσουμε μια αξιόπιστη προσομοίωση του τρόπου λειτουργίας του εγκεφάλου».

Μελλοντικές ερευνητικές κατευθύνσεις

Αυτή η έρευνα έχει αναμφίβολα φέρει επανάσταση στην κατανόησή μας για τον εγκέφαλο, αλλά το ταξίδι απέχει πολύ από το να τελειώσει. Καθώς προχωράμε, μελλοντικές μελέτες θα διερευνήσουν διαφορές στη νευρωνική αρχιτεκτονική μεταξύ του εγκεφάλου αρσενικών και θηλυκών μυγών.

«Η πληρότητα του διαγράμματος καλωδίωσης έχει μεγάλα οφέλη για την έρευνα του εγκεφάλου και επιτρέπει πολλούς τύπους μελετών που δεν ήταν προηγουμένως δυνατές χρησιμοποιώντας διαγράμματα καλωδίωσης τμημάτων του εγκεφάλου της μύγας», σημείωσαν οι ερευνητές.

Η μελέτη δημοσιεύεται στο περιοδικό φύση.

—–

Μου αρέσει αυτό που διάβασα; Εγγραφείτε στο ενημερωτικό μας δελτίο για να λαμβάνετε ελκυστικά άρθρα, αποκλειστικό περιεχόμενο και πιο πρόσφατες ενημερώσεις.

Επισκεφθείτε μας στο EarthSnap, μια δωρεάν εφαρμογή που σας φέρνουν οι Eric Ralls και Earth.com.

—–