Важный этап в коннектомике: картирование всего мозга самца плодовой мухи.
В сотрудничестве с HHMI Janelia и другими исследователями мы опубликовали полную карту головного мозга и центральной нервной системы самца плодовой мухи, создав самую большую на сегодняшний день карту головного мозга. Вместе с продолжающимися исследованиями других видов, таких как рыбы и мыши, эти карты связей начинают раскрывать механизмы работы всех типов мозга.
Быстрые ссылки
- Бумага
- Набор данных
- Веб-сайт Connectomics
- Видео
- Новости от Google
- Делиться
Обыкновенная плодовая муха, Drosophila melanogaster , сыграла центральную роль в научных исследованиях, приведших к присуждению ей множества Нобелевских премий. Благодаря своему стереотипному поведению и короткому жизненному циклу, плодовые мушки являются фундаментальным модельным организмом в генетике и обещают сделать то же самое для нейробиологии. Хотя мышление этого любящего фрукты насекомого может показаться далеким от человеческого познания, мозг совершенно разных видов имеет много общего. Поскольку картирование 86 миллиардов нейронов в человеческом мозге пока невозможно, ученые используют искусственный интеллект для картирования мозга более мелких организмов, таких как плодовые мушки. Это поможет нам расшифровать, как нервные системы животных воспринимают мир, реагируют на стимулы и как поврежденные нейронные пути могут быть однажды восстановлены.
В рамках проекта, возглавляемого Исследовательским кампусом Джанелия Института медицинских исследований Говарда Хьюза (HHMI), наша команда и ее коллеги опубликовали полную схему связей головного мозга и центральной нервной системы самца плодовой мухи. Статья «Половой диморфизм в полной коннектоме центральной нервной системы самца дрозофилы», опубликованная в журнале Cell , является результатом десятилетнего сотрудничества, которое продвигает область коннектомики, используя вычислительные технологии и искусственный интеллект для создания карт головного мозга в клеточном масштабе. Эта карта, содержащая более 166 000 нейронов и 125 миллионов синаптических связей, является самой большой картой головного мозга по количеству нейронов на сегодняшний день, предоставляя ученым фундаментальный ресурс для использования плодовых мух в качестве модельного организма для изучения работы мозга.
Небольшая группа клеток в головном мозге и центральной нервной системе самца плодовой мухи, вид спереди под углом ( слева ) и сверху ( справа ).
Коннектом самцов плодовых мушек также включает вентральный нервный канал, аналогичный спинному мозгу, и, таким образом, начинает выходить за рамки только головного мозга и охватывает то, как головной мозг контролирует тело. Коннектом самцов мушек был аннотирован и проверен (или вычитан) группой экспертов-людей из HHMI Janelia. Его можно просмотреть, изучить и загрузить с помощью Neuroglancer, инструмента с открытым исходным кодом, который мы создали, чтобы позволить исследователям визуализировать огромные многомерные наборы данных.
Новый коннектом содержит нейроны из центрального мозга ( зеленый ), зрительных долей ( фиолетовый ) и вентрального (т.е. центрального) нервного ствола ( синий ). Новый коннектом позволяет связать слуховые, зрительные и обонятельные сигналы с двигательными реакциями у этого ключевого модельного организма.
Эта новая карта мозга дополняет карту мозга самки плодовой мухи и недавно опубликованную полную карту мозга и нервных оболочек самки. Наличие карт мозга и центральной нервной системы как самцов, так и самок позволяет сравнивать их в местах, где нейроны различаются, и использовать эти данные для изучения биологических механизмов ухаживания и агрессии плодовых мух. В тех частях мозга, которые схожи у обоих полов, наличие двух полных коннектомов плодовых мух позволит исследователям начать изучать вариативность между отдельными особями.
Пример нейрона, отличающегося у самцов ( зеленый ) и ранее картированных самок ( пурпурный ) плодовых мушек. У самцов нейрон имеет два дополнительных отростка. Искусственный интеллект позволяет создавать точные 3D-реконструкции для выявления этих структурных различий.
Этапы создания карты всего мозга плодовой мухи
Картирование мозга, или коннектомика, начинается с разделения мозга на миллионы тонких срезов, получения изображения каждого среза и последующего объединения изображений с помощью компьютеров и искусственного интеллекта. Наши исследователи создают системы, которые используют ИИ для преобразования плоских изображений, полученных с помощью электронного микроскопа, в трехмерные реконструкции, используя постоянно совершенствующийся набор методов для генерации точных форм нейронов.
Наши инструменты коннектомики на основе ИИ включают сети заполнения пустот, которые используют сверточные нейронные сети, начиная с одного пикселя и идентифицируя все остальные пиксели, являющиеся частью того же объекта. В 2019 году наша команда по коннектомике выпустила первоначальную, полностью автоматизированную реконструкцию мозга самки плодовой мухи. К 2020 году наша команда и ее сотрудники выпустили проверенную человеком карту половины мозга самки плодовой мухи с 25 000 нейронами и 21 миллионом связей, что на тот момент было рекордом. Тем временем команда уже работала над полной, проверенной картой мозга самца плодовой мухи, которая теперь завершена.
Эти методы продолжают совершенствоваться. В недавнем исследовании были использованы синтетические нейроны в обучающих данных, что позволило успешно повысить скорость и точность нашей современной системы реконструкции PATHFINDER. Мы также помогаем разрабатывать новые методы маркировки и аннотирования конкретных типов нейронов. В настоящее время картирование мозга плодовой мухи требует многолетней работы человека только для проверки и аннотирования формы нейронов. Сокращение необходимости ручной коррекции ошибок позволит исследовательским группам браться за еще более масштабные проекты по картированию мозга в рамках разумных бюджетов и сроков.
Взгляд в будущее: картирование целых мозгов рыб.
Область коннектомики уже осваивает позвоночных: организмы со спинным мозгом. Анатомически, эволюционно и функционально они больше похожи на человека. В исследовании, проведенном под руководством Колумбийского университета и опубликованном на этой неделе в журнале Nature , наша команда помогла составить карту части заднего мозга рыбы-слононоса, используемой для обработки сигналов. В этой статье, «Коннектомный анализ цепи, подобной мозжечку, для сенсорного прогнозирования», впервые показано, как коннектом, статический ресурс, может быть объединен с другой информацией для изучения нейронной пластичности и обучения, создавая наиболее полную на сегодняшний день механистическую модель обучения в мозге позвоночных.
Личинки данио-рерио — одни из немногих позвоночных, мозг которых достаточно мал, чтобы его можно было картировать от начала до конца с помощью современных методов. Кроме того, данио-рерио обладают преимуществом прозрачности на личиночной стадии, что позволяет измерять нейронную активность во время экспериментов, как это зафиксировано в наборе данных ZAPBench. Наша предстоящая статья с Гарвардом, «Коннектомический ресурс для каталогизации нейронов и анализа нейронных цепей в мозге личинки данио-рерио», представляет собой первый набор данных по всему мозгу позвоночного, включающий нейронную структуру и молекулярный тип, охватывающие весь мозг позвоночного. Наша команда также выпустила предварительную версию набора данных, объединяющего нейронную активность и структуру в одном и том же мозге личинки данио-рерио, в качестве открытого ресурса для исследовательского сообщества.
Изображение из набора данных Fish Fire&Wire, который объединяет данные об электрической активности всего мозга и структуре нейронов у одной и той же личинки данио-рерио.
Заключение
Коннектом самцов плодовых мушек является основополагающим ресурсом, который положит начало новой эре экспериментальной нейронауки с будущими применениями в биологии, фармации и медицине. Три статьи, опубликованные сегодня, показывают, как коннектом самцов плодовых мушек уже использовался в исследованиях нейронауки зрительных систем, вкуса и социального поведения. Разработанные здесь методы также помогут продвинуть другие проекты, такие как предстоящая полностью проверенная карта мозга рыбки данио и картирование части мозга мыши. Хотя моделирование 86 миллиардов нейронов в человеческом мозге пока остается недостижимым, мы движемся к раскрытию того, как функционирует мозг, и пониманию процессов, лежащих в основе психических заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера, депрессия или шизофрения. Мы надеемся, что когда-нибудь эти усилия приведут к новым способам лечения когнитивных расстройств, улучшению здоровья мозга и поддержке его восстановления.
Благодарности
Мы благодарим наших научных сотрудников из HHMI Janelia и других организаций, а также отмечаем существенный вклад команды Connectomics в Google. Мы благодарны Ханне Хики и Элизе Клеман за их помощь. Благодарим Лиззи Дорфман, Майкла Бреннера, Джона Платта и Йосси Матиаса за их поддержку, координацию и руководство.
Источник: research.google
Оцените материал:
