ينشر الباحثون المزيد من الوصلات العصبية التفصيلية لذبابة الفاكهة

ملخص: نشر الباحثون أكثر عملية استئصال تفصيلية لحبل عصب ذبابة الفاكهة البالغة مشابهًا للحبل الشوكي البشري ، مما يوفر مصدرًا استثنائيًا للأدلة للمجتمع العلمي.

يتكون التصحيح من حوالي 23000 خلية عصبية ، ويكشف عن شبكة معقدة تتحكم في الوظائف الحركية للذبابة. تظهر رؤى جديدة بالفعل من البيانات ، تتحدى النظريات السابقة حول حركة الطيران.

لا يؤدي هذا الإنجاز إلى تطوير فهم علم أعصاب ذبابة الفاكهة فحسب ، بل يعمل أيضًا كنموذج لمشاريع مستقبلية مماثلة.

مفتاح الحقائق:

1. يشتمل المشبك العصبي لذبابة الفاكهة على ما يقرب من 23000 خلية عصبية ، و 10 ملايين موقع ما قبل التشابك ، و 74 مليون كثافة بعد التشابك العصبي.
2. هذا هو الاتصال الأعمق والأكثر اكتمالًا للحبل العصبي لذبابة الفاكهة البالغة حتى الآن.
3. لقد كشف الرابط بالفعل أن بعض السلوكيات التي تنطوي على نفس العضلات تستخدم دوائر دقيقة قبل المحرك ، على عكس النظريات الموجودة.

مصدر: مجمع جينيليا للأبحاث

بالفعل هذا العام ، نشر الباحثون مخططًا للأسلاك لدماغ ذبابة الفاكهة اليرقية. من المتوقع توصيل دماغ ذبابة أنثى بالغة وفص بصري في عام 2023 ، مع اتصال كامل بالجهاز العصبي للذباب سيتبعه قريبًا.

في 6 يونيو ، أضاف علماء جينيليا والمتعاونون معها في الولايات المتحدة والمملكة المتحدة قطعة أخرى إلى لغز الاتصال من خلال نشر مخطط الأسلاك للحبل العصبي لدى الذكور البالغين ، والمعروف باسم MANC.

الانتماء ، مشروع مشترك فريق مشروع FlyEM الخاص بشركة Genelia والمتعاونين ، الموصوفين في المطبوعات المسبقة على bioRxiv والمتاحة مجانًا للباحثين في جميع أنحاء العالم من خلال Genelia. مواقع الويب.

مع ما يقرب من 23000 خلية عصبية ، و 10 ملايين موقع ما قبل المشبك ، و 74 مليون كثافة ما بعد التشابك ، فإن MANC هي أعمق وأكمل مشابك للحبل العصبي لذبابة الفاكهة البالغة – وهي بنية مماثلة للحبل الشوكي البشري. الوظائف الحركية للذبابة.

يمكن أن تساعد التفاصيل غير المسبوقة في هذه الخريطة للخلايا العصبية ووصلاتها العلماء على معرفة كيف تحرك الذبابة أرجلها أو ترفرف بجناحيها.

إذا تم ترتيب 23000 خلية عصبية تشكل الشبكة العصبية MANC من طرف إلى طرف ، فستمتد حوالي 44 مترًا.

تصف الطبعات المسبقة المنشورة ببيانات الشبكة العصبية أنواعًا مختلفة من الخلايا ، وأصولها واتصالاتها ، والرؤى البيولوجية التي بدأت في الظهور من البيانات. ذبابة الفاكهة هي كائن حي مهم يستخدمه علماء الأعصاب لدراسة كيفية عمل الجهاز العصبي ، لذا فإن وجود روابط لاكتشاف كيفية عمل الخلايا معًا لتنفيذ السلوك أمر بالغ الأهمية.

يقول جوينيث جارد ، باحث HHMI في معهد زوكرمان التابع لجامعة كولومبيا والرئيس السابق لمجموعة جينيليا الذي ساعد في قيادة المشروع: “بمجرد أن ترى شبكة كاملة ، يمكنك البدء في طرح أسئلة أكبر على المؤسسة”.

يتبع إطلاق MANC والوصلات الأخرى خطى Hemibrain Connectome التي نشرها علماء Genelia في عام 2020. في ذلك الوقت ، تم الانتهاء من رسم مخطط الأسلاك الأكبر والأكثر تفصيلاً لنصيب الدماغ – وهو جزء من دماغ الذبابة البالغة. يمكن تحقيق إنجاز كان يعتقد الكثيرون أنه مستحيل.

أدى إطلاق Hemibrain إلى دعم واهتمام إضافي لجهود الاندماج. يقوم الباحثون الآن بملء الأجزاء المفقودة من نصف الدماغ ، والهدف من رسم خريطة للجهاز العصبي المركزي بالكامل لكل من ذكور وإناث ذباب الفاكهة البالغ هو في متناول اليد.

تقول البطاقة: “هذا القطار سيستمر في التدحرج”. “ترى البداية”.

إنشاء MANC

تم إنشاء فريق Genelia باستخدام طرق مستخدمة لرسم خريطة الدماغ النصفي الشبكي MANC ، وقام بتصميم نموذج للحبل العصبي وأنتج طبقة تصوير تلو الأخرى شرائح بسمك نانومتر في مجاهر إلكترونية بمسح الأشعة الأيونية المركزة. جمعت خوارزميات Google وأجهزة الكمبيوتر الصور معًا وجعلت أول خطوة في تحديد الخلايا العصبية.

بعد ذلك ، انخرط Genelliens وفريق من المتعاونين في فحص البيانات – وهو جهد يدوي لضمان صحة الشكل والاتصال بين الخلايا العصبية ، وأحد أكثر أجزاء العملية استهلاكا للوقت. بسبب جائحة Covid-19 ، طور الفريق برنامجًا للعمل على أجهزة الكمبيوتر المنزلية. وبتمويل إضافي من مؤسسة Wellcome Foundation ، يمكن للمتعاونين الدوليين دعم هذا الجهد بسهولة.

يقول جريج جيفريز ، عالم الأحياء الجزيئية في مختبر MRC وعالم الأعصاب في الجامعة. قائد مشروع آخر وهو جزء من اللجنة التوجيهية لفريق مشروع كامبريدج وفلاي إي إم.

حدد الباحثون في كامبريدج أنواعًا مختلفة من الخلايا ، حيث توجد في جسم الذبابة ، والخلايا الجذعية التي نشأت منها ، مما يساعد على استنباط بعض المبادئ التنظيمية.

قالت ليزا مارين ، باحثة مساعدة في جامعة كامبريدج ، قادت جهود كتابة الخلايا: “يُنظر إلى الحبل العصبي البطني بشكل أساسي على أنه صندوق أسود”.

“لا يتم تحديد معظم الخلايا العصبية أبدًا. لذا فإن جزءًا كبيرًا من عمليتنا هو تقسيم هذه إلى مجموعات أصغر ثم استكشاف الاتصال.

بدأ فحص بيانات Connectome بالفعل في الكشف عن بعض المفاجآت. وجد كارد وفريقه أن بعض السلوكيات التي تنطوي على نفس العضلات تستخدم دوائر دقيقة قبل المحرك ، وليست نفس الدوائر كما كان يعتقد سابقًا.

وصف جيفريز وفريقه الدوائر المعقدة المستمرة التي تتحكم في الأرجل ، ووجدوا أن الترابطات التي تنسق الأرجل تختلف عن النماذج الحالية.

ستحدث المزيد من الأفكار من MANC حيث يبدأ باحثون آخرون في فحص البيانات ، والتي يمكن الوصول إليها من خلال أدوات neuPrint و Clio عبر الإنترنت التي تم تطويرها في Janelia.

يقول كارد: “من الواضح أن هذه الشبكات العصبية غنية جدًا وتشكل نقطة انطلاق لفهم كيفية عمل هذا النظام”. قال: “للحصول على اتساع نطاق السلوكيات المختلفة التي يدرسها الناس في سياقات مختلفة ، يحتاج المجتمع بأسره إلى البحث في هذه الشبكة. هذه هي الطريقة التي سنستوعب بها المبادئ العليا.”

يُعد المشروع أيضًا نموذجًا للمجموعات الأخرى التي تقوم بجهود الربط ، مع اكتساب الرؤى العلمية.

يقول Lou Schaeffer ، العالم الرئيسي في Genelia وعضو فريق FlyEM: “سيكون هذا النوع من التعاون ضروريًا للغاية عندما يبدأ الناس في الانتقال إلى الشبكة العصبية للفأر وأشياء من هذا القبيل”.

“لا توجد طريقة يمكن لأي شركة أن تفعل ذلك ، لذا فهي نموذج لهذا النوع من التعاون.”

مجموعات البيانات: https://www.janelia.org/project-team/flyem/manc-connectome

حول هذا البحث في أخبار علم الأعصاب

مؤلف: بطاقة جوينيث
مصدر: مجمع جينيليا للأبحاث
اتصال: بطاقة جوينيث – مجمع جينيليا للأبحاث
صورة: أعلى صورة نُسبت إلى Neuronews. صورة المقال تُنسب إلى مجمع FlyEM / Janelia للأبحاث

البحث الأصلي: وصول مغلق.
“اتصال الحبل العصب البطني ذبابة الفاكهة“شين يا تاكيمورا وآخرون. bioRXiv

وصول مغلق.
“يكشف التعليق التوضيحي المنهجي لتقاطعات الحبل العصبي ذبابة الفاكهة الكاملة للذكور البالغين عن مبادئ التنظيم الوظيفيإليزابيث سي. مارين وآخرون. bioRXiv

ملخص

اتصال الحبل العصب البطني ذبابة الفاكهة

يتم التعبير عن سلوك الحيوان بشكل أساسي من خلال التحكم العصبي في العضلات. لذلك ، فإن فهم كيفية سيطرة الدماغ على السلوك يتطلب إعادة تعيين الدوائر العصبية إلى الخلايا العصبية الحركية.

لقد أنشأنا سابقًا تقنية لجمع مجموعات بيانات مجهرية إلكترونية واسعة النطاق للأنسجة العصبية وإعادة بناء مورفولوجيا الخلايا العصبية ووصلاتها المتشابكة الكيميائية عبر الحجم بالكامل. باستخدام هذه الأدوات ، أنشأنا مخططًا كثيفًا للأسلاك أو شبكة توصيل لمساحة كبيرة. ذبابة الفاكهة الدماغ المركزي.

ومع ذلك ، في معظم الحيوانات ، بما في ذلك الذبابة ، تقع معظم الخلايا العصبية الحركية خارج الدماغ في مركز عصبي أقرب إلى الجسم ، مثل الحبل الشوكي للثدييات أو الحبل العصبي البطني للحشرة (VNC).

في هذه الورقة ، قمنا بتوسيع محاولتنا لرسم خريطة كاملة للدائرة العصبية للسلوك من خلال إنشاء رقعة من VNC لذبابة ذكر.

ملخص

يكشف التعليق التوضيحي المنهجي لتقاطعات الحبل العصبي ذبابة الفاكهة الكاملة للذكور البالغين عن مبادئ التنظيم الوظيفي

تقدم ورقتنا المصاحبة (Takemura et al. ، 2023) أول اتصال لفحص الحبل العصبي لحيوان يمشي أو طائر. يتكون الاتصال الأساسي من الهياكل العصبية والوصلات فيما بينها.

ومع ذلك ، للتنقل وفهم هذا الاتصال بشكل فعال ، من الأهمية بمكان أن يكون لديك نظام من التعليقات التوضيحية التي تصنف وتسمي الخلايا العصبية بشكل منهجي ، وربطها بالأدبيات الموجودة.

في هذه الورقة ، نصف تعليقًا توضيحيًا مفصلاً لاتصال VNC ، أولاً من خلال نظام من التعليقات التوضيحية الهرمية الخشنة ، ثم عن طريق تجميع الخلايا العصبية من اليسار إلى اليمين والمتجانس تسلسليًا ، وأخيرًا عن طريق تحديد أنواع الخلايا الرسمية للخلايا العصبية الداخلية الداخلية والخلايا العصبية الحسية في VNC. يتم تصنيف الخلايا العصبية النازلة والحركية (Cheong et al. ، 2023).

نحن نخصص طريقة حسية لأكثر من 5000 خلية عصبية حسية ، ونجمعها عن طريق توصيلها ، ونحدد باستمرار أنواع الخلايا المماثلة وأنماط الطبقات المشابهة للمنظر المحيطي. حددنا الخلايا العصبية التنموية الأصلية لغالبية الخلايا العصبية VNC وأكدنا (في معظم الحالات) أن جميع الخلايا العصبية الثانوية لكل سلالة نصية تعبر عن ناقل عصبي.

تتكرر الخلايا النصفيّة للأرومة العصبية بشكل مستمر في أجزاء من الحبل العصبي وتظهر عادةً اتصالًا ثابتًا من نصفي إلى نصفي نصفي عبر الخلايا العصبية ، مما يدعم فكرة أن الخلايا النصفية هي سمة تنظيمية رئيسية لـ VNC.

وجدنا أن أكثر من ثلث الخلايا العصبية الفردية تنتمي إلى أنواع الخلايا المتجانسة المتسلسلة ، والتي تعتبر مهمة لتحديد الخلايا العصبية الحركية والخلايا العصبية الحسية في جميع أنحاء الخلايا العصبية في الساق. يوفر تصنيف الخلايا العصبية الداخلية حسب أنماطها في تعصيب العصب العصبي محورًا تنظيميًا إضافيًا.

يبدو أن أكثر من نصف الخلايا العصبية الجوهرية في VNC مخصصة للساقين ، ومعظمها يقتصر على الخلايا العصبية ذات الساق الواحدة. على النقيض من ذلك ، تظهر الخلايا العصبية الداخلية المثبطة التي تربط مختلف الخلايا العصبية في الساق ، وخاصة تلك التي تعبر خط الوسط ، بشكل أقل تكرارًا من المتوقع بواسطة النماذج القياسية للدوائر الحركية.

يتم نشر التعليقات التوضيحية الخاصة بنا كجزء من تطبيق الويب neuprint.janelia.org وتعمل كأساس للتحليل البرمجي للرابط من خلال الأدوات المتخصصة الموضحة في هذه الورقة.