Мозок дрозофіли розібрали з точністю до зв'язків між нейронами. І знайшли в ньому статеві відмінності

Науковці створили повну карту центральної нервової системи самця плодової мушки — від мозку та зорових часток до черевного нервового ланцюжка. На схемі 166 700 нейронів і 124 мільйони синаптичних з'єднань, що вперше дозволило порівняти мозок самця і самки на рівні окремих зв'язків між нейронами, званих синапсами. Виявилося, що більшість нейронних ланцюгів у них спільна, а клітини, які відрізняються між статями, переважно зосереджені у вищих центрах мозку, пов'язаних із поведінкою. Результати опублікували в журналі Cell.

Навіщо знадобилася схема мозку мухи?

Аби зрозуміти, як саме сигнали від органів чуття перетворюються на конкретні рухові та поведінкові реакції, недостатньо вивчати лише поодинокі нерви. Для цього необхідно мати цілісну карту розміщення та взаємодії всіх нейронів уздовж усього шляху проходження сигналу — конектом.

Перший конектом тварини створили ще для круглого черв'яка Caenorhabditis elegans, нервова система якого складається усього з 302 нейронів. А у 2024 році біологи відтворили мозок самки плодової мушки Drosophila melanogaster, який містить уже десятки тисяч нейронів. Але мапа обмежувалася лише центральним мозком без черевного нервового ланцюжка, тож не можна було простежити шлях безпосередньо від органів чуття до м'язів. Крім того, дослідники не мали з чим порівняти жіночу нервову систему, щоб зрозуміти, де саме на рівні нейронів закріплені відмінності у поведінці статей. Заповнити цю прогалину взялися команди з Дослідницького кампусу Джанелія, Лабораторії молекулярної біології MRC і Google Research.

Як зібрали мапу з сотні тисяч нейронів?

Для створення конектому нервову систему мухи нарізали на надзвичайно тонкі зрізи та сфотографували електронним мікроскопом із роздільністю вісім нанометрів. Сім мікроскопів працювали над зразком протягом 13 місяців, створивши масив даних обсягом близько 160 теравокселів, що дорівнює приблизно 160 трильйонам об'ємних пікселів.

Далі нейромережі, розроблені за участю Google Research, визначили на зображеннях нейрони та простежили їхні відростки. У підсумку дослідники описали 166 700 нейронів, які належать до 11 710 типів клітин, і 124 мільйони синаптичних з'єднань між ними.

Що розгледіли на карті мозку мухи?

Зіставивши нову схему нервової системи самця з картою мозку самки, біологи знайшли 8069 типів клітин, однакових в обох статей. Водночас 138 типів відрізняються за будовою, 289 існують виключно у самців і 71 — лише у самок. Разом статево відмінні клітини становили близько 4,8 відсотка центрального мозку самця та 2,4 відсотка у самки.

Проте чутливі та рухові нервові ланцюги в обох статей майже не відрізняються, а статево відмінні типи нейронів скупчені переважно у вищих центрах мозку. Вони можуть працювати як перемикачі, що спрямовують однакові сигнали від органів чуття різними шляхами та зрештою запускають різну поведінку у самців та самок. Зокрема, в іншій статті науковці описали у самців велику взаємопов'язану мережу статево відмінних клітин, яка охоплює понад третину всіх таких нейронів та залучена до керування соціальною поведінкою. Коли науковці навмисно активували цю мережу світлом, вона запускала в комах ритуал залицяння або агресію до конкурентів, залежно від активованого типу нейронів.

Інші два дослідження розкрили деталі роботи окремих систем чуття. Простеживши шлях від фоторецепторів углиб мозку, дослідники з'ясували, що зорову інформацію так чи інакше отримує понад половина всіх типів нейронів центрального мозку. Повна схема смакової системи, зі свого боку, дозволила португальським вченим простежити шлях сигналів від нейронів, що сприймають смак на різних частинах тіла, до клітин, які керують живленням. З’ясувалося, смакові сигнали підключаються не лише до ланцюгів, що керують споживанням їжі, а й до систем руху, виділення гормонів та статевої поведінки.

Як допоможе науці карта нервової системи мухи?

Новий конектом дає дослідникам зручний інструмент при вивченні того, як сенсорна інформація перетворюється на поведінку. Замість того щоб вгадувати функції окремих нейронів, науковці зможуть прицільно перевіряти роботу конкретних досліджуваних ланцюжків.

Водночас автори наголошують, що конектом відображає структуру зв'язків лише однієї тварини. Сама карта також не є абсолютно повною — перевіреними з обох боків є 40 відсотків синаптичних з'єднань, хоча 94 відсотки пресинапсів і 42 відсотки постсинапсів належать перевіреним нейронам.

У майбутньому науковці планують перенести розроблений підхід створення конектому на риб, щоб зрештою дійти до розшифрування мозку складніших хребетних тварин.

Які карти створюють біологи

🧬 Біологи розробили детальну просторово-часову модель розташування генетичного матеріалу в ядрі людської клітини. Так дослідники створили інтерактивну 4D-карту хромосом, яка допоможе глибше зрозуміти механізми зчитування генів.

🧠 Нейробіологи склали атлас розподілу та споживання життєво важливих ресурсів у головному мозку. Це вперше картографували процеси вироблення енергії, що може посприяти вивченню неврологічних захворювань.

🖥️ Комп'ютерне моделювання дозволило відтворити нервову систему плодової мушки з її 125 тисячами клітин. Ця віртуальна копія мозку на основі реальних біологічних даних уперше успішно покерувала симульованим тілом комахи.