Два высокоскоростных электронных микроскопа. 7 062 среза мозга. 21 миллион изображений.
Для группы ученых из исследовательского кампуса Джанелия Медицинского института Говарда Хьюза в Эшберне, штат Вирджиния, эти цифры представляют собой первое техническое достижение: цифровой снимок мозга взрослой плодовой мушки в высоком разрешении.
Исследователи теперь могут проследить путь от любого нейрона к любому другому нейрону по всему мозгу, говорит нейробиолог Дэви Бок, руководитель группы в Джанелии, который сообщил о своей работе вместе со своими коллегами 19 июля 2018 года в журнал Cell.
«Раньше никогда не визуализировался весь мозг мухи с таким разрешением, которое позволяет увидеть связи между нейронами», - говорит он. Эта деталь является ключевой для определения схем мозга - точных сетей нейронных связей, лежащих в основе определенного поведения мух.
Данные команды Janelia предлагают новый инструмент для ученых, стремящихся отобразить эти связи. И в центре памяти мозга данные также выявили новый тип клеток и другие сюрпризы. «Каждый раз, когда вы смотрите на изображения с более высоким разрешением и большей полнотой, вы будете открывать для себя что-то новое», - говорит Бок.
Разум мухи
Плодовые мушки, или Drosophila melanogaster, наиболее известны тем, что жужжат вокруг спелых бананов. Но эти крошечные насекомые удивительно сложны, говорит Бок. «Они могут учиться и запоминать. Они знают, какие места безопасны, а какие опасны.
Бок хочет выяснить, как все это работает.
Мозг плодовой мушки размером примерно с маковое зернышко содержит около 100 000 нейронов (у человека их 100 миллиардов). Каждый нейрон разветвляется на пучок тонких проводов, которые соприкасаются с проводами других нейронов. Нейроны разговаривают друг с другом через эти точки соприкосновения, или синапсы, образуя плотную сеть коммуникационных цепей.
Ученые могут просматривать эти провода и синапсы с помощью метода визуализации, называемого просвечивающей электронной микроскопией с последовательными срезами. Во-первых, они наполняют мозг мухи коктейлем из тяжелых металлов. Эти металлы упаковываются в клеточные мембраны и синапсы, в конечном итоге обозначая очертания каждого нейрона и его соединений. Затем исследователи поразили срезы мозга пучком электронов, который проходит через все, кроме частей, нагруженных металлом. «Это точно так же, как рентгеновские лучи проходят через ваше тело, за исключением тех мест, где они попадают в кость», - объясняет Бок.
Полученные изображения обнажают когда-то скрытые закоулки мозга.
Ускорить
Электронная микроскопия исторически была медленным процессом. Десять лет назад о сборе миллионов изображений, необходимых для просмотра всего мозга мухи, не могло быть и речи, говорит Бок. «Представьте, что вы делаете 21 миллион снимков на свой iPhone, - говорит он. «Вы бы сидели и щелкали десятилетиями».
Он и команда ученых разработали новые инструменты для ускорения процесса. Команда использовала высокоскоростные камеры и две специально изготовленные системы для быстрого перемещения образцов тканей с шагом в восемь микрометров, что позволило им быстро получить изображения соседних областей. Они смогли получить изображение всего среза мозга менее чем за семь минут - в пять раз быстрее, чем предыдущий высокопроизводительный массив камер трансмиссионного электронного микроскопа TEMCA1. Бок и его коллеги также воспользовались специальным роботизированным загрузчиком, созданным в Джанелии, который автоматически берет и размещает образцы.
Создание такой передовой технологии было немалым подвигом, говорит Бок. Работа потребовала сотрудничества десятков нейробиологов, инженеров-механиков и разработчиков программного обеспечения Janelia, а также технических консультантов и ученых из Университета Джона Хопкинса и Лаборатории молекулярной биологии MRC. После долгого неформального сотрудничества между этими учеными в 2016 году была создана официальная проектная группа Janelia под совместным управлением Бока и инженера-программиста Janelia Халеда Хайри, чтобы довести работу до конца.
Без всей команды, говорит Бок, исследование было бы невозможно. «Это предприятие типа «только в Джанелии».
Пристальный взгляд
Миллионы изображений, которые команда Бока собрала и склеила вместе, предлагают всесторонний взгляд на мозг мухи и возможность исследовать неизведанные области.
Команда Бока проследила пути нейронов, которые тянутся к грибовидному телу, области, связанной с памятью и обучением. Эти клетки, называемые обонятельными проекционными нейронами, были хорошо описаны ранее с помощью световой микроскопии. Ручное отслеживание контуров этих нейронов и всех их проволочных проекций позволило команде Бока подтвердить качество данных изображения.
И, по его словам, «Мы также споткнулись о некоторые интересные новые вещи».
Обонятельные проекционные нейроны посылают сообщения нейронам, называемым клетками Кеньона. Эти клетки, в свою очередь, разговаривают с разными наборами нейронов. До сих пор ученые не идентифицировали партнеров по диалогу клеток Кеньона в области грибовидного тела, называемой чашечкой. Команда Бока точно определила некоторые из этих нейронов, а также ранее неизвестный нейрон, охватывающий мозг, который также передает информацию клеткам Кеньона.
Обонятельные проекционные нейроны также оказались более тесно связанными друг с другом, чем думали ученые, говорит Бок. Это объединение предполагает упорядоченную структуру чего-то, что когда-то считалось в значительной степени случайным.
Лучшее понимание этой схемы мозга могло бы помочь ученым понять поведение мух, говорит Бок. «Мы думаем, что это расскажет нам кое-что о том, как животное учится - как оно связывает запахи с вознаграждением или наказанием», - объясняет он.
Сейчас более 20 лабораторных групп изучают новый набор данных, отслеживая нейроны и изучая схемы мозга. Бок называет данные ресурсом, который нейробиологи могут бесплатно добывать, исследуя разум мухи. «Это добавляет еще один инструмент к набору инструментов, который мы используем, чтобы понять это животное».
Пользователи могут загрузить набор данных о мозге мухи по адресу