Para peneliti telah merilis neuron lalat buah yang paling detail

ringkasan: Para peneliti telah meluncurkan jaringan saraf terlengkap dari tali saraf lalat buah dewasa, yang mirip dengan sumsum tulang belakang manusia, menyediakan sumber daya yang luar biasa bagi komunitas ilmiah.

Jaringan saraf, terdiri dari sekitar 23.000 neuron, mengungkap jaringan kompleks yang mengontrol fungsi motorik lalat. Wawasan baru telah muncul dari data, menantang teori sebelumnya tentang lalu lintas udara.

Pencapaian ini tidak hanya memajukan pemahaman tentang ilmu saraf Drosophila, tetapi juga berfungsi sebagai template untuk proyek serupa di masa mendatang.

Fakta-fakta kunci:

1. Tali saraf Drosophila mencakup sekitar 23.000 neuron, 10 juta situs pra-sinaptik, dan 74 juta kepadatan pascasinaps.
2. Ini adalah jaringan saraf terdalam dan terlengkap dari tali saraf Drosophila dewasa hingga saat ini.
3. Jaringan saraf telah mengungkapkan bahwa beberapa perilaku yang melibatkan otot yang sama menggunakan sirkuit mikro pra-motorik, bertentangan dengan teori yang ada.

sumber: Kampus Riset Janelia

Sudah tahun ini, para peneliti telah merilis diagram pengkabelan otak lalat buah larva. Koneksi saraf otak lalat betina dewasa dan lobus optik diharapkan pada tahun 2023, dengan jaringan saraf lalat dewasa penuh akan segera selesai.

Pada tanggal 6 Juni, para ilmuwan dan kolaborator di Janelia di AS dan Inggris menambahkan potongan lain ke teka-teki jaringan saraf dengan pengungkapan diagram pengkabelan kabel saraf pria dewasa, yang disebut MANC.

Neural Network, upaya bersama oleh Tim Proyek FlyEM Janelia dan kolaborator, dirinci dalam publikasi sebelumnya di bioRxiv dan tersedia secara gratis bagi para peneliti di seluruh dunia melalui Janelia. situs web.

Dengan sekitar 23.000 neuron, 10 juta situs pra-sinaptik, dan 74 juta kepadatan pasca-sinaptik, MANC adalah jaringan saraf terdalam dan terlengkap dari tali saraf lalat buah dewasa—struktur serupa dengan sumsum tulang belakang manusia yang mengontrol sebagian besar dia. fungsi motorik lalat.

Detail yang belum pernah ada sebelumnya dalam peta neuron ini dan hubungannya akan membantu para ilmuwan mempelajari bagaimana lalat menggerakkan kakinya atau mengepakkan sayapnya.

Jika 23.000 neuron yang membentuk jaringan saraf MANC ditempatkan ujung ke ujung, jaraknya akan mencapai sekitar 44 meter.

Pracetak yang dirilis bersamaan dengan data jaringan saraf menjelaskan jenis sel yang berbeda, asal dan hubungannya, dan wawasan biologis yang mulai muncul dari data. Drosophila adalah organisme utama yang digunakan ahli saraf untuk menyelidiki bagaimana sistem saraf bekerja, sehingga keberadaan jaringan saraf sangat penting untuk mengungkap bagaimana sel bekerja sama untuk mengaktifkan perilaku.

“Begitu Anda melihat jaringan yang lengkap, Anda dapat mulai mengajukan pertanyaan organisasi yang besar,” kata Gwyneth Card, seorang peneliti HHMI di Institut Zuckerman Universitas Columbia dan mantan pemimpin grup Janelia, yang membantu memimpin proyek tersebut.

MANC dan jaringan saraf lainnya diluncurkan mengikuti jejak jaringan setengah saraf yang dirilis oleh ilmuwan Janelia pada tahun 2020. Pada saat itu, hemibrain – bagian dari otak lalat dewasa – adalah diagram pengkabelan terbesar dan terlengkap yang pernah diselesaikan. , suatu prestasi yang menurut banyak orang tidak mungkin dicapai.

Pelepasan cerebral palsy telah menyebabkan dukungan dan minat lebih lanjut dalam upaya jaringan saraf. Para peneliti sekarang mengisi bagian yang hilang dari separuh otak, dan tujuan untuk memetakan seluruh sistem saraf pusat lalat buah jantan dan betina sudah dapat dijangkau.

“Kereta ini akan terus berputar,” kata Card. “Kamu hanya melihat awalnya.”

gedung MNC

Jaringan saraf MANC dibuat menggunakan metode yang serupa dengan yang digunakan untuk memetakan belahan bumi, di mana tim Janelia menyiapkan sampel tali saraf dan pencitraan lapis demi lapis irisan setebal nanometer pada mikroskop elektron pemindaian berkas ion terfokus. Algoritme dan komputer Google menyatukan gambar dan melakukan langkah pertama dalam mengidentifikasi neuron.

Selanjutnya, tim Janelians dan kolaborator mulai mengoreksi data—upaya manual untuk memastikan bentuk dan konektivitas neuron yang benar, salah satu bagian proses yang paling memakan waktu. Karena pandemi COVID-19, tim telah mengembangkan perangkat lunak untuk dijalankan di komputer rumah. Ini, bersama dengan dana tambahan dari Wellcome Trust, berarti kolaborator internasional dapat lebih mudah membantu upaya ini.

“Karena sudah sepenuhnya diaudit dan kami dapat menemukan semua neuron yang sama di kanan dan kiri lalat, kami dapat mengatakan kepada rekan kerja, ‘Anda dapat mempercayai ini,’” kata Greg Jeffress, ahli saraf di MRC Laboratory of Molecular Biology dan Universitas Cambridge dan pemimpin proyek lain yang menjadi bagiannya Komite Pengarah Tim Proyek FlyEM.

Para peneliti Cambridge juga mengidentifikasi berbagai jenis sel, seperti yang ditemukan di sepanjang tubuh lalat, dan sel punca asalnya, yang membantu menemukan beberapa prinsip pengorganisasian.

“Tali saraf ventral pada dasarnya terlihat sebagai kotak hitam,” kata Lisa Marin, asisten peneliti di University of Cambridge yang memimpin upaya pengetikan sel.

Sebagian besar neuron tidak dikenali. Jadi bagian besar dari proses kami adalah memecah kelompok-kelompok ini menjadi kelompok-kelompok kecil dan kemudian melihat hubungannya.”

Meneliti data jaringan saraf sudah mulai mengungkapkan beberapa kejutan. Card dan timnya menemukan bahwa beberapa perilaku yang melibatkan otot yang sama menggunakan sirkuit mikro pra-motor, bukan sirkuit yang sama seperti yang diperkirakan sebelumnya.

Jeffress dan timnya menggambarkan sirkuit berulang yang rumit yang mengontrol kaki dan menemukan, secara mengejutkan, bahwa interkoneksi yang mengoordinasikan kaki berbeda dari model saat ini.

Banyak wawasan lain dari MANC akan muncul saat peneliti lain mulai menyelidiki data, yang dapat diakses melalui alat online neuPrint dan Clio yang dikembangkan di Janelia.

“Jelas, jaringan saraf ini sangat kaya dan ini hanyalah titik awal untuk mencoba memahami cara kerja sistem ini,” kata Card. “Dibutuhkan seluruh komunitas untuk mendalami berbagai perilaku berbeda yang dipelajari orang dalam konteks berbeda, untuk menjelajahi jaringan ini. Beginilah cara kami menginternalisasi prinsip-prinsip yang lebih tinggi.”

Selain wawasan ilmiah yang bisa diperoleh, proyek ini juga berfungsi sebagai salah satu model bagi kelompok lain yang melakukan upaya jaringan saraf.

“Kolaborasi semacam ini akan menjadi sangat penting ketika orang mulai beralih ke jaringan syaraf tikus dan hal-hal seperti itu,” kata Lou Scheffer, ilmuwan utama di Janelia dan anggota tim FlyEM.

“Tidak mungkin ada satu organisasi pun yang bisa melakukan itu, jadi ini adalah prototipe untuk kolaborasi semacam ini.”

kumpulan data: https://www.janelia.org/project-team/flyem/manc-connectome

Tentang Berita Penelitian Ilmu Saraf ini

pengarang: kartu gwyneth
sumber: Kampus Riset Janelia
komunikasi: Kartu Gwyneth – Kampus Riset Janelia
gambar: Gambar teratas dikreditkan ke Neuroscience News. Gambar artikel dikreditkan ke FlyEM/Kampus Riset Janelia

Pencarian asli: Akses tertutup.
“Sambungan Kabel Saraf Ventral Drosophila PriaDitulis oleh Shin-ya Takemura dkk. bioRXiv

Akses tertutup.
“Anotasi sistematis dari jaringan saraf tali saraf Drosophila yang lengkap mengungkapkan prinsip-prinsip organisasi fungsionalOleh Elizabeth C. Marin dkk. bioRXiv

ringkasan

Sambungan Kabel Saraf Ventral Drosophila Pria

Perilaku hewan terutama diekspresikan melalui kontrol neuromuskular. Oleh karena itu, memahami bagaimana otak mengontrol perilaku membutuhkan pemetaan sirkuit saraf sampai ke neuron motorik.

Kami sebelumnya telah menetapkan teknik untuk mengumpulkan kumpulan data mikroskop elektron skala besar dari jaringan saraf dan untuk merekonstruksi morfologi neuron dan sinapsis kimianya di seluruh volume. Dengan alat ini, kami telah membuat diagram pengkabelan padat, atau jaringan saraf, untuk sebagian besar dari kami Drosophila otak pusat.

Namun, pada sebagian besar hewan, termasuk lalat, mayoritas neuron motorik terletak di luar otak di pusat saraf yang lebih dekat ke tubuh, seperti sumsum tulang belakang mamalia atau kabel saraf ventral serangga (VNC).

Dalam makalah ini, kami memperluas upaya kami untuk memetakan seluruh sirkuit saraf untuk perilaku dengan menghasilkan jaringan saraf dari VNC lalat jantan.

ringkasan

Anotasi sistematis dari jaringan saraf tali saraf Drosophila yang lengkap mengungkapkan prinsip-prinsip organisasi fungsional

Makalah pendamping kami (Takemura et al., 2023) menyajikan jaringan saraf pertama yang sepenuhnya terkoreksi untuk tali saraf hewan yang dapat berjalan atau terbang. Jaringan saraf dasar terdiri dari morfologi neuron dan koneksi di antara mereka.

Namun, untuk menavigasi dan memahami jaringan saraf ini secara efisien, diperlukan sistem anotasi yang secara sistematis mengklasifikasikan dan memberi label neuron, dan menghubungkannya dengan literatur yang ada.

Dalam makalah ini, kami menjelaskan anotasi komprehensif dari jaringan VNC, pertama melalui sistem anotasi hierarkis kasar, kemudian dengan mengelompokkan neuron homogen kiri-ke-kanan dan berurutan, dan akhirnya dengan mendefinisikan tipe sel reguler untuk neuron intrinsik dan neuron sensorik untuk VNC; Neuron aferen dan motorik diketik (Cheong et al., 2023).

Kami memetakan modalitas sensorik ke lebih dari 5.000 neuron sensorik, mengelompokkannya berdasarkan kontak, dan mengidentifikasi tipe sel homolog serial dan organisasi berlapis yang mungkin sesuai dengan topografi periferal. Kami mengidentifikasi neuroblas perkembangan asal untuk sebagian besar neuron VNC dan mengonfirmasi bahwa (dalam banyak kasus) semua neuron sekunder dari setiap garis keturunan transkripsi mengekspresikan satu neurotransmitter tunggal.

Neuroblas berulang secara berurutan di sepanjang segmen kabel saraf dan umumnya menunjukkan komunikasi garis-ke-garis keturunan yang konsisten dari belahan otak di seluruh neuron, mendukung gagasan bahwa hemlin adalah fitur pengatur utama VNC.

Kami juga menemukan bahwa lebih dari sepertiga neuron individu termasuk tipe sel homozigot berurutan, yang diperlukan untuk mengidentifikasi neuron motorik dan neuron sensorik di seluruh neuron kaki. Klasifikasi interneuron berdasarkan pola persarafan mereka memberikan sumbu pengaturan tambahan.

Lebih dari separuh neuron intrinsik di VNC tampaknya memiliki dua kaki, dengan mayoritas terbatas pada neuron berkaki tunggal; Sebaliknya, interneuron penghambat yang menghubungkan neuron yang berbeda di tibia, terutama yang melintasi garis tengah, tampaknya jauh lebih jarang daripada prediksi model sirkuit motor standar.

Anotasi kami dirilis sebagai bagian dari aplikasi web neuprint.janelia.org dan juga berfungsi sebagai dasar untuk analisis terprogram jaringan saraf dengan alat khusus yang kami jelaskan dalam makalah ini.