A konyhai muslica, Drosophila melanogaster, hosszú ideje alapmodell a genetikában és a viselkedést kutató idegtudományban. Most a Howard Hughes Medical Institute (HHMI) Janelia Research Campus vezetésével és nemzetközi együttműködőkkel elkészült a hím Drosophila teljes idegrendszerének — az agy és a ventrális idegrendszeri köteg (analóg a gerincvelőnek) — kapcsolati térképe. A munkát a Cell folyóiratban közölték, a tanulmány címe: „Sexual dimorphism in the complete connectome of the Drosophila male central nervous system”.
Ez a teljes kapcsolati térkép több mint 166 000 neuront és mintegy 125 millió szinaptikus kapcsolatot tartalmaz, ami szám szerint a legnagyobb eddig közzétett agytérkép. A hím connectome-ot emberi szakértők által végezték el a Janelia csapatánál (proofreading), és a nyers és ellenőrzött adatokat meg lehet tekinteni, felfedezni és letölteni a Neuroglancer nevű, nyílt forráskódú eszközön keresztül, amelyet a csapat fejlesztett nagy, többdimenziós adathalmazok vizualizálására.
Miért fontos ez?
A hím térkép kiegészíti a nemrég közzétett nőstény Drosophila teljes agy- és idegszár-térképet: így párhuzamosan rendelkezésre áll mindkét nem teljes connectomja. Ennek a rendelkezésre állása lehetővé teszi a két nem összehasonlítását azon területeken, ahol a neuronok eltérnek — például a párzás és az agresszió viselkedésbiológiai mechanizmusainak vizsgálatára —, és ugyanakkor segít feltérképezni az egyedek közti természetes variabilitást azokon a területeken, ahol a szerkezet hasonló.
Módszerek: hogyan készül egy teljes connectome?
A connectomika folyamata hagyományosan az agy milliónyi vékony szekcióra vágásával kezdődik, majd minden szeletet elektronmikroszkóppal felvesznek, és számítógéppel, mesterséges intelligencia segítségével illesztik össze a képeket 3D rekonstukcióvá. A Janelia és együttműködő csapatai olyan rendszereket fejlesztenek, amelyek AI-t használva alakítják át a sík elektronmikroszkópos képeket pontos, sejtskálájú 3D neurális formákra.
A használt eszközök közé tartoznak a flood-filling networkök — konvolúciós neurális hálózatok, amelyek egyetlen pixeltől indulva azonosítják ugyanannak az objektumnak a többi pixeleit. 2019-ben a Connectomics csapat egy teljesen automatizált kezdeti rekonstrukciót tett közzé egy nőstény Drosophila agyról. 2020-ra pedig egy ember által ellenőrzött, fél nőstény agy térképet publikáltak körülbelül 25 000 neuronnal és 21 millió kapcsolattal, ami akkor rekordnak számított. Azóta ez a munka továbbfejlődött, és most elkészült a teljes, ellenőrzött hím connectome.
A módszerek finomodtak: a közelmúltban szintetikus neuronok bevonásával bővítették a tanító adathalmazt, ami javította a PATHFINDER nevű rekonstrukciós rendszer sebességét és pontosságát. A csapat továbbá eszközöket fejleszt a specifikus neuron-típusok címkézésére és annotálására. Jelenleg a fruit fly agy térképezése még éveket igényel emberi erőforrást az alakok ellenőrzéséhez és annotálásához; a kézi javítás szükségességének csökkentése lehetővé teszi nagyobb projektek vállalását ésszerű költségvetéssel és időkerettel.
Kapcsolódó és előremutató munkák gerincesekben
A connectomika már a gerincesek felé is kiterjed: az ilyen szervezetek anatómiailag és funkcionálisan közelebb állnak az emberekhez. Egy, a Columbia University vezette és a Nature-ben ezen a héten megjelent tanulmányban a csapat részt vett az elephantnose fish hátsó agyrészének egy részének feltérképezésében, amely jelzőfeldolgozásban vesz részt. Ez a munka azt is bemutatja, hogyan lehet a statikus connectome-ot további információkkal kombinálni az idegi plaszticitás és a tanulás vizsgálatához.
A lárva zebradániók (larval zebrafish) olyan gerincesek közé tartoznak, amelyek agya elég kicsi ahhoz, hogy a teljes agyat a jelenlegi módszerekkel feltérképezzék; előnyük továbbá, hogy lárva-stádiumukban átlátszóak, így kísérleti során az idegi aktivitás mérhető. A ZAPBench adathalmaz például idegi aktivitást rögzítő és szerkezeti adatokat kombinál. A Janelia és a Harvard közös, közelgő publikációja, „A connectomic resource for neural cataloguing and circuit dissection of the larval zebrafish brain”, az első olyan teljes gerinces agy-adatkészlet lesz, amely egyszerre tartalmaz szerkezeti és molekuláris típusinformációt az egész agyra vonatkozóan. A csapat emellett közzétett egy előzetes adatverziót, amelyben az idegi aktivitás és a struktúra ugyanabban a larvális zebradánió agyban szerepel, nyílt forrásként a kutatói közösség számára.
Következmények és jövőkép
A hím Drosophila connectome alapvető erőforrás a kísérleti idegtudomány számára, és új lehetőségeket nyit a biológia, a gyógyszerészet és az orvostudomány területén. A mai nap folyamán megjelent három kísérő tanulmány azt mutatja, hogy a hím connectome-ot már alkalmazták a látórendszer, az ízlelés és a társas viselkedés idegtudományi kutatásában. A fejlesztett módszerek segítenek más projektek, például a teljesen ellenőrzött zebradánió agytérkép és a rágcsálók agyának részleges feltérképezése előrehaladásában.
Bár az emberi agy 86 milliárd neuronjának feltérképezése továbbra sem elérhető a jelenlegi technikákkal, az ilyen lépések közelebb visznek bennünket ahhoz, hogy megértsük, miként működnek az agyak, és milyen folyamatok állnak a mentális betegségek — például Alzheimer-kór, depresszió vagy skizofrénia — mögött. A végső cél az, hogy ezek az erőfeszítések egyszer napjaink terápiás eszközeit kiegészítve új módszereket biztosítsanak a kognitív rendellenességek kezelésére, az agy egészségének javítására és az idegi javítás támogatására.
Elismerések
A közlemény a HHMI Janelia és más akadémiai partnerek munkatársainak együttműködését és a Google Connectomics Team alapvető hozzájárulását is megköszöni. Külön köszönettel említik Hannah Hickey és Elise Kleeman segítségét, valamint Lizzie Dorfman, Michael Brenner, John Platt és Yossi Matias támogatását, koordinációját és vezetését.
