Коннектом взрослого насекомого впервые картировали полностью

Американские, британские, израильские и немецкие исследователи с международным консорциумом FlyWire составили полный коннектом мозга взрослой плодовой мухи дрозофилы, включающий систематическое и иерархическое описание около 140 тысяч нейронов и почти 55 миллионов их соединений. Это наиболее сложный коннектом, известный на данный момент. Две основных публикации по теме и семь работ, демонстрирующих использование разработки для изучения нейробиологических механизмов, объединены в подборку в журнале Nature, там же им посвящена редакционная статья.

Коннектом представляет собой полное описание архитектуры нейронов и связей между ними с точностью до синапса, которое дает фундаментальное понимание принципов работы мозга и нервной системы. Наибольший интерес представляет коннектом человека, но, по имеющимся оценкам, он содержит более 80 миллиардов нейронов и 100 триллионов соединений, что недосягаемо для современных методов. В силу этого исследователи начинают с понимания устройства нервных связей у более простых организмов. До дрозофилы полные коннектомы были получены лишь для трех организмов, мозг которых состоит из нескольких сотен нейронов: круглого червя Caenorhabditis elegans, личинки оболочника Ciona ntestinalis и многощетинкового червя Platynereis dumerilii. В 2016 году японские исследователи построили модель коннектома одного полушария мозга дрозофилы (Drosophila melanogaster). Четырьмя годами позже международная научная группа полностью картировала синапсы центральной части полушария мозга этой мухи. В 2023 году американские и британские ученые составили карту всех синаптических связей в мозге ее личинки.

С целью составить полный коннектом взрослого насекомого команда исследователей из Принстонского университета под руководством Себастьяна Сына (Sebastian Seung) создала консорциум FlyWire. За основу для его работы были взяты полученные ранее с помощью усовершенствованного оборудования и программного обеспечения электронно-микроскопические снимки всего объема мозга дрозофилы с синаптическим разрешением (всего около 100 теравокселей). Консорциум разработал алгоритмы для точного сопоставления этих снимков и реконструировал отдельные нейроны с помощью машинного обучения. Для исправления неизбежных при этом ошибок была создана вычислительная инфраструктура для ученых и добровольцев со всего мира, которые в сумме потратили на эту работу 33 человеко-года. Полученные данные интегрировали с результатами других визуализационных исследований, идентифицировавших синапсы и определявших их потенциальную возбуждающую или ингибиторную функцию.

В итоге научные группы Сына и Грегори Джеффриса (Gregory Jefferis) из Кембриджского университета с Дэви Боком (Davi Bock) из Вермонтсокго университета построили схему всех нейрональных связей взрослой самки дрозофилы. Она содержит 139555 нейронов и 54,5 миллиона синапсов. Для каждого типа нейронов был установлен набор биомаркеров, относящихся к их морфологии и источнику происхождения из стволовых клеток — нейробластов. Всего исследователи идентифицировали и иерархически связали 8453 типа клеток, 4581 из которых были ранее неизвестны. Все они принадлежат к девяти надклассам: чувствительные, двигательные, эндокринные, восходящие, нисходящие, зрительные проекционные, зрительные центробежные, а также формирующие связи в пределах центрального отдела и зрительных долей.

По данным авторов работ, 118501 из нейронов формируют связи в пределах мозга, в том числе 32388 в пределах центрального отдела и 77536 — зрительных долей (не считая фоторецепторов). Эти отделы связаны 8053 проекционными и 524 центробежными зрительными нейронами. Афферентные и эфферентные нейроны в мозге составляют 13,9 и 1,1 процента соответственно. 5512 нейронов центрального мозга получают входящую информацию от чувствительных и 2362 — от восходящих нервных путей. Эфферентные связи обеспечивают 1303 нисходящих, 106 двигательных и 80 эндокринных нейронов. Мультисинаптические связи между отдельными нейронами в большинстве своем включали менее 10 синапсов, однако почти 16 тысяч таких соединений содержали более ста синапсов, а 27 — более тысячи.

Также исследователи использовали синаптический коннектом для расчета проектома — карты проекций между разными участками нейропиля (сплетения немиелинизированных нервных волокон с большой плотностью синапсов, которое у дрозофилы расположено отдельно от тел нейронов). Эти расчеты были выполнены для каждого низкомолекулярного нейромедиатора (гамма-аминомасляной кислоты, глутамата, ацетилхолина, серотонина, дофамина и октопамина). Кроме того, авторы проанализировали потоки информации в нервной системе насекомого при обработке различных стимулов.

Весь датасет коннектома выложен в открытый доступ на ресурсе FlyWire. С тех пор как его первые данные стали доступны в 2020 году, их использовали более чем в 50 научных работах. Семь новых публикаций, сопровождающих основные, продолжают и углубляют эти наработки. В частности, в них приводится статистический анализ сетей коннектома и идентификация нейронов с потенциально ключевыми функциями («интеграторы» и «передатчики»); выявление сетей, отвечающих за прекращение движения насекомого; компьютерное моделирование общемозговой активности и многое другое. Ожидается, что с публикацией полного коннектома число подобных исследований значительно возрастет.

Ранее в 2024 году американские исследователи и сотрудники Google представили реконструкцию кубического миллиметра человеческого мозга с петавоксельным разрешением, которая содержит все структурные и функциональные связи. Датасет с информацией о примерно 57 тысячах клеток и 150 миллионах синапсов занял 1,4 петабайта.