Mit 130.000 annotierten Neuronen und 53 Millionen Synapsen haben die Princeton University und andere das erste vollständige Gehirnkonnektom einer „adulten Fliege“ veröffentlicht

Von Caenorhabditis elegans (302 Neuronen) bis hin zu Drosophila melanogaster (~100.000 Neuronen) gibt es bis heute viele Projekte, die das Konnektom des gesamten Gehirns verschiedener Organismen kartiert haben. Drosophila melanogaster ist einer der am gründlichsten vom Menschen untersuchten Organismen. Bis 2017 wurden acht Nobelpreise für die Forschung mit Fruchtfliegen vergeben.

Die Forschung der Forscher zu Drosophila geht weiter. Kürzlich haben Forscher der Princeton University und anderer Institutionen das Konnektom des gesamten Gehirns von Drosophila veröffentlicht, das etwa 130.000 annotierte Neuronen und zig Millionen Arten von Synapsen umfasst.

Jeder weiß bis zu einem gewissen Grad, dass ein grundlegendes Nervensystem schon seit der Antike existiert, die Entstehung des Gehirnsystems lässt sich jedoch bis vor 500 Millionen Jahren zurückverfolgen. Untersuchungen zeigen, dass die Unterteilung des Gehirns in verschiedene Regionen hilft, seine Funktion zu verstehen.

Allerdings gibt es seit vielen Jahren Kontroversen über die neuronale Verbindungskarte auf neuronaler und synaptischer Ebene. Der Hauptgrund für dieses Phänomen ist, dass dem Menschen die Technologie fehlt, solche Verbindungskarten zu rekonstruieren. Die Dinge begannen sich erst zu Beginn des 21. Jahrhunderts zu ändern, als sich die Technologie weiterentwickelte.

Heute haben Forscher der Princeton University und anderer Institutionen das Drosophila-Gesamthirn-Konnektom veröffentlicht, die erste vollständige neuronale Verbindungskarte des erwachsenen Drosophila-Gehirns.

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Papieradresse: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.06.27.546656v1.full.pdf

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Nach Veröffentlichung der Ergebnisse , sagte jemand: „Viele Projekte haben das Konnektom des gesamten Gehirns verschiedener Organismen kartiert, von Caenorhabditis elegans (302 Neuronen) bis hin zu Drosophila melanogaster (ca. 100.000 Neuronen). Warum können wir es mit unserer aktuellen Rechenleistung nicht virtuell abbilden?“ Wie wäre es mit präzisen Computersimulationen dieser Organismen in einer 3D-Umgebung? Dennoch können Fruchtfliegen mit diesen Synapsen sehen, riechen, hören, gehen und natürlich fliegen.

Forscher rekonstruieren seit langem Teile des Drosophila-Gehirns durch elektronenmikroskopische (EM) Bilder. Diese Bilder haben eine gute Klarheit und können die kleinen Verzweigungen von Neuronen und verbundenen Synapsen zeigen. Die daraus resultierende Konnektivitätskarte neuronaler Schaltkreise liefert wichtige Erkenntnisse darüber, wie das Gehirn soziales, gedächtnisbezogenes und Navigationsverhalten erzeugt.

Obwohl die EM-Methode auf Teile des Gehirns angewendet und informative lokale Konnektivitätskarten rekonstruiert wurde, reicht diese Methode für ein umfassenderes Verständnis der Gehirnfunktion nicht aus.

Zuvor haben Forscher ein einzelnes Synapsengitter basierend auf der Forschung von Ito et al. erstellt. Das in diesem Artikel verwendete Gitter basiert auf der JFRC2-Standard-Gehirnvorlage, die zuvor eine vollständige Gehirnsegmentierung generierte. Diese Gitter werden auch in Virtual Fly verwendet Projekt Gehirn (Drosophila-Simulation). Diese Studie verschiebt diese Netze durch eine Reihe nicht starrer Transformationen vom JFRC2-Raum in den FlyWire-Raum (FAFB14.1).

Hinweis: FlyWire ist eine Connectomics-Plattform für das gesamte Gehirn zur Erforschung des Drosophila-Gehirns. Seit 2019 nutzen Wissenschaftler und erfahrene Korrektoren FlyWire, um KI-Segmentierungen ganzer Fruchtfliegengehirne Korrektur zu lesen. Bis Juni 2023 wurden in FlyWire mehr als 120.000 Neuronen Korrektur gelesen, darunter das gesamte Zentralhirn.

Wie in der Abbildung unten gezeigt, enthält das gesamte in dieser Studie rekonstruierte erwachsene Gehirn von Drosophila 127.978 Neuronen (Abbildung 1a) mit 53 Millionen Synapsen zwischen ihnen. Bilder des gesamten Gehirns der erwachsenen weiblichen Drosophila melanogaster (Abb. 1e, f) wurden zuvor durch serielle Schnittübertragungs-EM erhalten und von Zheng et al. in den öffentlichen Bereich freigegeben.

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Dieser Artikel zeigt, dass die durch die Rekonstruktion des gesamten Drosophila-Gehirns in dieser Studie erhaltene Verbindungskarte vollständig genug ist, um als „Konnektom“ bezeichnet zu werden. Das Konnektom ist im Vergleich zu Caenorhabditis elegans (300 Neuronen, weniger als 10^4 Synapsen) und Drosophila-Larven im ersten Larvenstadium (3.000 Neuronen, 5×10^5 Synapsen) deutlich verbessert. Ein Sprung nach vorne: Das Konnektom übersteigt nicht nur die Hälfte des Drosophila-Gehirns In seiner Menge deckt es auch die subösophageale Zone (SEZ) des Drosophila-Zentralhirns ab, die für den Geschmack und die mechanische Wahrnehmung sehr wichtig ist. Darüber hinaus deckt das Konnektom auch die Prozesse ab, die Motoneuronen vom Drosophila-Gehirn nach unten treiben.

Die folgende Abbildung zeigt die Kategorien von Neuronen. Abbildung (a) zeigt, dass Neuronen im Drosophila-Gehirn nach „Strom“ klassifiziert werden: intrinsisch, afferent und efferent. Jede Flussklasse wird dann basierend auf Standort und Funktion weiter in „Superklassen“ unterteilt. Dem ersten öffentlich zugänglichen Facettenauge fehlten etwa 8.000 Netzhautzellen und vier winzige Augäpfel einer Hemisphäre, Teile, die durch schraffierte Balken gekennzeichnet sind. (b) Mithilfe dieser neuronalen Annotationen erstellte die Studie eine aggregierte synaptische Karte zwischen Superklassen im Drosophila-Gehirn. (c) Darstellung aller Neuronen in jeder Oberklasse. (d) Zusätzlich zum Augennerv und dem Halsbindegewebe (CV) gibt es in jeder Hemisphäre 8 Nerven. Alle Neuronen, die den Nerv kreuzen, werden rekonstruiert und erklärt. (e) Sensorische Neuronen können basierend auf ihren Reaktionen auf sensorische Modalitäten unterteilt werden. In FlyWire wurden fast alle sensorischen Neuronen nach Modalität klassifiziert. (f) Darstellung aller nicht-visuellen sensorischen Neuronen.

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Das Bild unten ist ein Diagramm des Gehirns der Fruchtfliege, das für die Verarbeitung visueller Informationen verantwortlich ist:

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Das Bild unten zeigt den Informationsfluss durch das Zentralhirn von eine Fruchtfliege:

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Die größte jemals validierte Sammlung von Zelltypen

Das FlyWire-Connectome ist das größte und komplexeste Connectome, das jemals erhalten wurde. In einem anderen Artikel mit dem Titel „Ein Konsens-Zelltypatlas aus mehreren Konnektomen enthüllt Prinzipien der Schaltkreisstereotypie und -variation“ stellte das Team einige Schlüsselfragen auf und beantwortete sie, um Konnektome dieser Größenordnung weiter zu erklären:

1) Wie Welche Kanten wichtig sind für wissen?

2) Wie kann man Connectome-Diagramme vereinfachen, um automatisierte oder manuelle Analysen zu unterstützen?

3) Inwieweit ist dieses Konnektom eine Momentaufnahme eines einzelnen Gehirns oder repräsentativ für die Art als Ganzes?

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Link zum Papier: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.06.27.546055v1.full.pdf

Diese Probleme beziehen sich sowohl innerhalb als auch zwischen Datensätzen Die Connectome-Annotation des Satzes ist untrennbar mit der Identifizierung des Zelltyps verbunden.

Auf der einfachsten Ebene wäre die Navigation in dieser verbundenen Gruppe ohne ein umfassendes Anmerkungssystem eine große Herausforderung. Die Anmerkungen des Teams zu dieser Arbeit stellen also eine indizierte und hierarchische Liste von für Menschen lesbaren Teilen bereit, die es Biologen ermöglichen, die für sie interessanten Systeme und Neuronen zu erforschen.

Connectome-Annotation ist auch für die Sicherstellung der Datenqualität von entscheidender Bedeutung, da sie unweigerlich Segmentierungsfehler aufdeckt, die korrigiert werden müssen. Darüber hinaus hat Drosophila eine lange Geschichte in der Erforschung der Schaltkreisbasis einer Vielzahl angeborener und erworbener Verhaltensweisen sowie ihrer entwicklungsgenetischen Ursprünge. Das volle Potenzial des Datensatzes lässt sich nur durch die gegenseitige Identifizierung von Zelltypen innerhalb des Konnektoms erreichen mit denen, die zuvor im Abschnitt „Charakterisierung“ in veröffentlichter und laufender Literatur identifiziert wurden.

Der Vergleich mit partiellen Hemihirn-Konnektomen bestätigt, dass die meisten Fliegenzelltypen stark stereotyp sind und dass Verbindungen innerhalb einfach definierter und allgemeiner heuristischer Konnektome zuverlässig und eher funktionsfähig sind. Dabei wurden jedoch auch unerwartete Veränderungen bei einigen Zelltypen festgestellt und es zeigte sich, dass viele Zelltypen, die ursprünglich in der Gehirnhälfte vorkommen, nicht zuverlässig reidentifiziert werden können. Diese Erkenntnis führte zu der Notwendigkeit, eine neue und leistungsstarke Methode zur Definition von Zelltypen in Connectomics-Datensätzen zu entwickeln und anzuwenden.

In dieser Studie generierten Forscher für Menschen lesbare Anmerkungen auf verschiedenen Granularitätsebenen (Superklasse, Zellklasse, Abstammungsklasse usw.) für alle Neuronen im Fliegenhirn.

Die von den Forschern bereitgestellte Karte von 4.179 Zelltypen ist nicht die größte aller Zeiten (eine Hälfte des Gehirns hat 5.620, und neuere Arbeiten im Gehirn von Mäusen lieferten bis zu 5.000 Molekülcluster). Es handelt sich jedoch um die größte validierte Sammlung von Zelltypen, die jemals zusammengestellt wurde.

Der Zelltyp ist eine beweisbare Hypothese über die biologische Variabilität innerhalb und zwischen Tieren. In C. elegans wurden 118 Zelltypen, die aus dem ursprünglichen Konnektom abgeleitet wurden, durch die anschließende Analyse des Konnektoms und der molekularen Daten eindeutig bestätigt. Bei einigen Säugetieren ist die Erstellung von Katalogen mit 100 Zelltypen möglich und wurde mit multimodalen Daten wie der Netzhaut oder dem motorischen Kortex validiert.

Großmaßstäbliche molekulare Karten liefern jedoch äußerst informative Hierarchien, es gab jedoch keine Versuche, terminale Zelltypen – die feinsten Einheiten aller Individuen – genau zu definieren. Die Forscher testeten diese fälschbare Zelltyp-Hypothese zum ersten Mal an mehr als 5.000 Zelltypen und bestätigten oder korrigierten etwa 3.166 Zelltypen in Konnektomdaten aus drei Hemisphären.

Es ist erwähnenswert, dass Konnektomdaten für die Abgrenzung von Zelltypen besonders wichtig sind: Sie sind von Natur aus multimodal (durch Bereitstellung von Morphologie und Konnektivität) und können alle Zellen im Gehirn (vollständig) sehen. Es ist sehr unwahrscheinlich, dass Zelltypen, die diesen strengen Test bestehen, (dauerhaft) verändert werden. Basierend auf diesem Verständnis sollten weitere 850 Zelltypen, die innerhalb von nur zwei Hemisphären des FlyWire-Datensatzes definiert sind, ebenfalls genau und dauerhaft sein. Die Forscher gehen davon aus, dass Connectome-Daten zum Goldstandard für Zelltypen werden. Daher wird die Verknüpfung molekularer und konnektomischer Zelltypen von entscheidender Bedeutung sein.

Die Leute sind vielleicht ein wenig überrascht oder sogar enttäuscht, dass mehr als ein Drittel der Hälfte der Zelltypen des Gehirns in FlyWire noch nicht identifiziert werden können. Die Forscher bekräftigen, dass die meisten Zellen identifiziert werden können, und sie gehen davon aus, dass sie durch ihre eigenen Bemühungen und die anderer weiterhin schrittweise Verbesserungen an aktuellen Plattformen und Tools vornehmen werden.

Dennoch offenbaren die aktuellen Ergebnisse mehrere wichtige Probleme: Erstens müssen die vielen Zelltypen, die mithilfe von Daten aus einer einzelnen Gehirnhälfte identifiziert wurden, jetzt geändert werden; zweitens müssen neue Multi-Connectome-Typisierungsmethoden durchgeführt werden (Abbildung 6). Dies bietet eine leistungsstarke und effiziente Lösung Drittens werden Beispiele für kontinuierliche Variation bei erwachsenen Fliegen häufig mit Zelltypen von Säugetieren in Verbindung gebracht, und Forscher verfügen nun über die Werkzeuge und Daten, um diese Variation mit zuvor unmöglicher Präzision zu bewältigen. „Gehirnübergreifende Zelltypisierung“ Entwicklung und Krankheit im gesamten Gehirn.

Das obige ist der detaillierte Inhalt vonMit 130.000 annotierten Neuronen und 53 Millionen Synapsen haben die Princeton University und andere das erste vollständige Gehirnkonnektom einer „adulten Fliege“ veröffentlicht. Für weitere Informationen folgen Sie bitte anderen verwandten Artikeln auf der PHP chinesischen Website!