揭开大脑的秘密组织——果蝇

我们即将解决所有果蝇大脑的神经元是如何连接的。这是神经科学领域的一个重大里程碑和一个巨大的飞跃对人类大脑的理解,但如何?

尽可能多的人整个夏天都在试图让苍蝇远离他们的水果钵,一个国际科学家小组发布的最大和最重要的一个领域的数据集——迄今为止,完整的3 d电子显微照片的果蝇(黑腹果蝇大脑)。

的研究代表——神经领域的一个重要里程碑,研究所有单个细胞在大脑中是如何连接的电路。这完全是最大的脑容量在突触水平,成像和大型国际团队工作的顶点。

结果是一个三维的建筑蓝图果蝇神经科学家可以映射电路的兴趣和了解他们与邻近的细胞和突触的目标。这意味着他们可以理解哪些神经元参与行为或内存,以及它们如何连接电路。

一个雄心勃勃的项目

我跟大卫烈性黑啤酒(@dddavi),组长在霍华德休斯医学研究所(日前Janelia研究校园Ashburn维吉尼亚,我们通过网络摄像头。站在一张桌子在他的办公室实验室,大卫有务实的空气能做事的一个人。他身后的办公室是典型的功能空间和公用事业提供在Janelia小组领导人。

Ashburn以外的校园建在山坡上俯瞰一个人工湖,在林线之外,波托马克河。现代的玻璃建筑,沿着山坡上在一个肤浅的“S”曲线形状类似于一个秀丽隐杆线虫蠕虫病毒融合形式,功能,和目的。背后的正面是一个灯火辉煌的木座高墙筑起大堂区域位于礼堂的后面。向右打开构建成一个空间与分散沙发同事之间非正式的讨论,在一个小图书馆,和一个食堂。左边是Janelia的核心,鲍勃的酒吧,至关重要的是房子免费咖啡和鼓励科学辩论和讨论到深夜。的大楼梯坐湿实验室区域。落地玻璃空间的长凳上填补建筑的长度。房子的一个翅膀果蝇研究实验室,和其他哺乳动物实验室。缺乏组织培养之间的分隔墙交互和协作。

校园的建筑是一样雄心勃勃,启发墙壁内进行的科学项目。

正如大卫反映项目:“项目是如此雄心勃勃,这是一种only-at-Janelia的项目。”

一个真正的团队的努力

大卫解释说这是合作的本质Janelia和远见卓识的霍华德·休斯医学研究所的支持项目,使成功的雄心勃勃的项目:

“这是一个真正的团队的努力,需要输入从20人。”

他解释了五步过程的每个阶段获得的三维体积样品制备和筛选神经重建和分析要求之一的设备或技术的克服边界。

例如,领导的一个研究小组由理查德·羁绊,然后Janelia研究校园,现在在加州大学旧金山分校,调整样品制备,然后进行了超过7000的连续切片40-nanometre-thick大脑部分。

大卫的团队开发了一个下一代透射电子显微镜相机阵列,历时两年的发展。系统整合现代相机可以在每秒100帧图像,和自定义piezo-driven阶段样品在纳米精度的摄像机移动。

机器人样本处理程序也开发了自动的收集的最后20%的成像数据。然而,在此之前80%的数据被co-first手工精心获得作者郑之浩。

图像处理是另一个壮举。大卫解释说:

“如果你有一个图片在您的计算机上的简单调整对比。然而,数据集包含2100万张图片。操纵这些要求输入计算专家”。

迈克尔•约翰霍普金斯大学Kazhdan和比尔卡什Janelia研究校园写核心图像处理算法。而斯蒂芬Saalfeld,哈立德·凯利和埃里克·特罗特曼Janelia研究校园努力设计一个自定义数据库,使图像处理管道的自动化。

并补充道:“然后你需要做神经跟踪组装图片卷上,你需要定制软件。但是,对于这个我们可以受益于CATMAID,软件,使协作神经元”的注释。

在总项目从概念和起始出版了六年。从头到尾,成像就花了14 - 16个月。

23大卫估计每个作者在纸上花了至少一年或更多的坚实的工作项目,意义甚至保守的努力把这个项目的累计时间在23年。

信贷:YouTube

映射电路

格雷格Jefferis (@gsxej),组长在英国医学研究理事会的分子生物学实验室和剑桥大学的动物学,今年的冠军弗朗西斯·克里克奖章讲座由英国皇家学会,论文的作者之一,解释了他参与的项目和影响结果。

跟我说话从一个办公室Champalimaud中心未知在里斯本,葡萄牙,他显然兴奋的出版3 d脑容量。陷害的落地窗户,格雷格的情绪反映了阳光明媚的场景在他身后的塔霍河河万里无云的天空下焕发了生机。格雷格是光明的,喜气洋洋的动画。

他解释说,解决的完整功能接线图成年苍蝇的大脑是一个可实现的目标不远的地平线上他走我研究的重要性以及世界各地的神经科学家如何利用他们的实验数据:

“果蝇大脑是极其复杂的大小。”

并补充道:“它的罂粟籽大小的大脑是8 * 107µm³在体积和思想包含大约10万个神经元,由40到5000万突触连接。”

解释:“这也是非常刻板。神经元在一个苍蝇的大脑中存在一个位置将在相同的位置在另一个苍蝇的大脑。这意味着神经元的利益使用光学显微镜成像可以映射到这个新的电子显微镜体积数据。这意味着我们可以看到纳米分辨率化学突触是神经元之间形成电路。”

格雷格是正确的是兴奋。他的团队已经研究嗅觉行为果蝇自从他在2004年开始他的实验室。他们探讨了生理学和神经元的连接底层的行为,例如aversiveness或吸引力的气味,令人难以置信的细节信息素。他的团队现在可以直接联系他们的发现这三维地图来了解这些典型的行为是引起。

格雷格说:“我们现在了解更多关于我们的数据。的惊喜之一的脑容量数据集是神经元之间有多少化学突触。比我们以前认为的有很多。然而,他们对大脑意味着计算有待回答,但他们必须是重要的。”

打开闸门解决连接体

这本书增加了大量缺失的拼图的飞连接体的研究和有多个发布以来发表的论文。科学家们已经受益于体积地图他们感兴趣的电路。

他们的进展也得益于体积是免费访问任何人。您可以浏览图像数据在这里在虚拟飞大脑网站开发为中心的共享果蝇神经解剖学和成像数据。希望这种以社区为基础的方法将导致更快的理解的连接体。

在自然大脑组织存在的基础

很多基因果蝇和人类之间是守恒的。当果蝇基因组是2000年绘制的研究显示它与人类基因组的60%。

建筑的主题也被保存在生物学和电路图案识别的小小小的线虫的神经系统秀丽隐杆线虫也见过在果蝇和哺乳动物的大脑。我们越了解错综复杂的苍蝇的大脑,以及它是如何组织起来,我们可以了解自己的。

问题是一个规模。当我们听到大卫,是困难和耗时的生产这些努力重建脑组织从串行部分的电子显微图。在2018年,这就解释了为什么我们才刚刚获得整个成年苍蝇大脑的体积,它包含大约10万个神经元。

相比老鼠大脑包含大约1亿个神经元。到目前为止只有一个卷的老鼠视网膜已经解决的突触水平。然而,这卷只包含950个神经元,很多是不完整的,因为他们的项目超出体积的边缘。

“从皮质网络机器智能”(微米)项目由IARPA寻求改变大脑的逆向工程机器学习的算法。

要做到这一点,一个协作群艾伦研究所的科学家,贝勒医学院、哈佛大学和普林斯顿大学将重建一个1毫米³体积老鼠大脑的视觉皮层与成像和他们已经积累了生理数据。

我联系了艾伦研究所项目科学家丹Bumbarger (@DanBumbarger)来找到更多关于如何与这个项目的规模果蝇努力,他解释说:

“我们正映射出脊椎动物大脑皮层电路在突触与连续切片透射电子显微镜分辨率,以同样的方式是在大卫烈性黑啤酒的小组完成的。”

并补充道:“工作是试图理解的主要推力计算的部分大脑皮层负责视觉信息处理”。

这本书只占一小部分的老鼠比整个大脑,但几次果蝇大脑。然而,该组织正在使用的经验教训果蝇努力告诉他们的进步和解释数据,进一步丹解释说:

“在技术方面,我们适应飞行的渲染图像处理软件开发大脑帮助我们处理图像配准在pb级别。在理论方面,许多问题概括不同动物之间。比较不同物种将帮助我们理解和概括的想法关于网络的神经元计算和他们如何这样做。”

这不是数量的大小

尽管先进的高通量电子显微镜和自动成像过程,这将是几年前我们有一个完整的小鼠大脑体积重建从连续的电子显微图。我们可能需要等待更长的时间重建人类大脑的小矮人老鼠大脑的复杂性由另一个数量级。人类大脑体积估计为1200 - 1450立方厘米之间,包含860亿个神经元和一万亿个突触。

但它不是数量的大小。在线虫的结构电路图案和苍蝇的大脑也多次在小鼠和人类大脑。了解这些安排信息流动的神经元和non-neuronal细胞将通知我们的大脑如何处理信息。

果蝇可能是令人讨厌的害虫在我们水果碗,但它可以释放我们的大脑的秘密的关键。