Полный мозг мухи снят в наномасштабном разрешении

Два высокоскоростных электронных микроскопа. 7062 среза мозга. 21 миллион изображений.

Для команды учёных из кампуса Janelia Исследовательского института Говарда Хьюза в Эшберне, Вирджиния, эти цифры означают технический прорыв: высокодетальное цифровое изображение мозга взрослой плодовой мушки (Drosophila melanogaster).

Теперь исследователи могут проследить путь любого нейрона к любому другому нейрону по всему мозгу, говорит нейробиолог Дави Бок, руководитель группы в Janelia, который вместе с коллегами опубликовал работу 19 июля 2018 года в журнале Cell.

«Весь мозг мухи никогда ранее не был снят с таким разрешением, которое позволяет видеть связи между нейронами», — говорит он. Эта деталь ключевая для картирования нейронных цепей — точных сетей связей, лежащих в основе конкретного поведения мух.

Данные команды Janelia — это новый инструмент для учёных, стремящихся нанести эти связи на карту. А в центре памяти мозга данные также выявили новый тип клеток и другие неожиданности. «Каждый раз, когда вы смотрите на изображения с более высоким разрешением и полнотой, вы обнаружите что-то новое», — говорит Бок.

Техника и скорость

Мозг плодовой мушки размером с маковое зерно содержит около 100 000 нейронов. Чтобы увидеть их тонкие отростки и синапсы, учёные использовали технику последовательной серийной просвечивающей электронной микроскопии. Мозг пропитали коктейлем тяжёлых металлов, которые осели на клеточных мембранах и синапсах, обозначив контуры каждого нейрона.

Исторически этот процесс был очень медленным. Бок и его команда разработали новые инструменты для его ускорения: высокоскоростные камеры и две специально созданные системы для быстрого перемещения образцов ткани с шагом в восемь микрометров. Это позволило снимать целый срез мозга менее чем за семь минут — в пять раз быстрее предыдущей высокопроизводительной системы TEMCA1. Также помог автоматический роботизированный загрузчик образцов, созданный в Janelia.

Работа потребовала сотрудничества десятков нейробиологов, инженеров-механиков и разработчиков программного обеспечения Janelia, а также учёных из Университета Джонса Хопкинса и Лаборатории молекулярной биологии MRC.

Новые открытия

Собранные и сшитые воедино миллионы изображений позволили детально изучить мозг мухи. Команда проследила пути нейронов, ведущих к грибовидному телу — области, участвующей в памяти и обучении.

Были изучены хорошо описанные ранее обонятельные проекционные нейроны. Их ручное отслеживание подтвердило качество полученных изображений.

Кроме того, были сделаны новые открытия:

• Выявлены партнёры по коммуникации: Учёные определили некоторые нейроны, с которыми в области грибовидного тела, называемой чашечкой (calyx), взаимодействуют клетки Кеньона (Kenyon cells).
• Обнаружен новый тип нейронов: Найден ранее неизвестный нейрон, простирающийся через весь мозг, который также передаёт информацию клеткам Кеньона.
• Обнаружена упорядоченность: Оказалось, что обонятельные проекционные нейроны собраны в более плотные пучки, чем считалось ранее. Это указывает на упорядоченную структуру там, где раньше предполагали в основном случайность.

Более глубокое понимание этих цепей может дать учёным ключ к поведению мух, например, к тому, как животное учится ассоциировать запахи с наградой или наказанием.

Более 20 лабораторий уже изучают новый массив данных, отслеживая нейроны и намечая контуры нейронных цепей. Бок называет эти данные ресурсом, свободным для изучения нейробиологами, исследующими разум мухи. «Это добавляет ещё один инструмент в наш набор для понимания этого животного».