초파리의 뇌 크기는 양귀비 씨앗 크기로 간과하기 쉽습니다.
버지니아에 있는 하워드 휴즈 의과대학 자넬리아 연구 캠퍼스의 신경과학자 비벡 자야라만(Vivek Jayaraman)은 “대부분의 사람들은 파리에 뇌가 있다고 생각조차 하지 않는다고 생각한다”고 말했다. “하지만 물론 파리는 매우 풍요로운 삶을 살고 있습니다.”
파리는 다양한 풍경을 탐색하는 것을 포함하여 복잡한 행동을 할 수 있습니다. 경쟁자와의 싸움 잠재적인 친구를 노래합니다. 그리고 그들의 반점 크기의 뇌는 매우 복잡하여 약 100,000개의 뉴런과 그들 사이에 수천만 개의 연결 또는 시냅스가 있습니다.
2014년부터 Janelia의 과학자 팀은 구글 연구원, 신경망으로도 알려진 초파리 뇌의 포괄적인 배선도를 만들기 위한 노력의 일환으로 이러한 뉴런과 시냅스를 매핑했습니다.
지속적인 작업은 최신 기계 학습 알고리즘을 사용하더라도 시간과 비용이 많이 듭니다. 그러나 지금까지 공개된 데이터는 파리 뇌의 많은 중요한 영역에서 수만 개의 가시 뉴런의 지도를 형성하는 세부 사항에서 놀랍습니다.
그리고 지금, 거대한 새잎에화요일 eLife 저널에 실린 신경과학자들은 그것을 가지고 무엇을 할 수 있는지 보여주기 시작했습니다.
비행에 중요한 역할을 하는 중추 복합체인 파리의 뇌의 일부만이 있는 신경망을 분석함으로써, Dr. Gyaraman과 동료들은 수십 가지의 새로운 뉴런 유형과 파리가 비행을 돕는 것으로 보이는 특정 신경 회로를 확인했습니다. 세상을 통해 길. 이 연구는 결국 우리를 포함한 모든 종류의 동물의 뇌가 수많은 감각 정보를 처리하고 이를 적절한 행동으로 변환하는 방법에 대한 통찰력을 제공하는 데 도움이 될 수 있습니다.
이것은 또한 상세한 뇌 배선도를 생성하면 과학적 이득을 얻을 수 있다는 약속을 바탕으로 구축된 현대 신경 연결의 새로운 분야에 대한 원리 증명이기도 합니다.
“그것은 정말 이례적인 일입니다.” 시애틀의 앨런 뇌 과학 연구소의 선임 연구원인 Dr. Clay Reed가 새 논문에서 말했습니다. “누구든지 그것을 보는 사람은 시냅스가 신경과학에서 우리에게 필요한 도구라고 말할 것입니다. 완전한 정지입니다.”
“당신의 마음이 요리되었습니다”
동물의 왕국에서 유일하게 완전한 신경망은 겸손한 회충인 C. elegans에 속합니다. 훗날 노벨상을 수상한 선구적인 생물학자 시드니 브레너가 1960년대에 이 프로젝트를 시작했습니다. 그의 작은 팀은 색연필을 사용하여 302개의 뉴런을 모두 손으로 추적하면서 수년을 보냈습니다.
Albert Einstein College of Medicine의 신경과학자이자 유전학자인 Scott Emmons는 “Brenner는 신경계를 이해하려면 신경계의 구조를 알아야 한다는 것을 깨달았습니다. 새 신경망 만들기 C. elegans. 이것은 생물학 전반에 걸쳐 사실입니다. 구조가 매우 중요합니다.”
브레너 외 그들의 역사 논문, 1986년에 340페이지에 녹음되었습니다.
그러나 현대 신경 연결 분야는 이미징 및 컴퓨팅의 발전으로 마침내 더 큰 뇌에서 연결을 식별할 수 있게 된 2000년대가 되어서야 시작되었습니다. 최근 몇 년 동안 전 세계의 연구팀은 제브라피쉬, 송버드, 생쥐, 인간 등의 신경망을 통합하기 시작했습니다.
Janelia 연구 캠퍼스가 2006년에 문을 열었을 때 설립 이사인 Gerald Rubin은 초파리에 관심을 기울였습니다. “나는 동료 벌레를 화나게 하고 싶지 않지만 파리는 실제로 흥미롭고 복잡한 행동을 하는 가장 단순한 두뇌라고 생각합니다”라고 Rubin 박사는 말했습니다.
Janelia의 여러 팀은 그 후 몇 년 동안 항공 통신 네트워크 프로젝트에 착수했지만 새로운 논문으로 이어진 작업은 2014년에 시작되었습니다. 생후 5일 된 암컷 초파리의 뇌.
연구원들은 파리의 뇌를 판으로 자른 다음 집속 이온빔 주사 전자 현미경으로 알려진 기술을 사용하여 층별로 이미지를 생성했습니다. 현미경은 본질적으로 매우 작고 매우 정밀한 손톱 줄처럼 작동하여 뇌의 매우 얇은 층을 제거하고 노출된 조직의 사진을 찍은 다음 아무것도 남지 않을 때까지 이 과정을 반복했습니다.
Jayaraman 박사는 “파리 뇌의 작은 부분을 동시에 이미징하고 자르기 때문에 작업을 마친 후에는 거기에 있지 않습니다.”라고 말했습니다. “그래서 뭔가 잘못되면 끝입니다. 거위가 요리되거나 파리 뇌가 요리됩니다.”
그런 다음 팀은 컴퓨터 비전 소프트웨어를 사용하여 수백만 개의 결과 이미지를 하나의 3D 폴더에 연결하여 Google로 보냅니다. 그곳에서 연구원들은 고급 기계 학습 알고리즘을 사용하여 각 개별 뉴런을 식별하고 꼬인 가지를 추적했습니다.
마지막으로 Janelia의 팀은 추가 계산 도구를 사용하여 시냅스를 식별했으며 인간 연구원은 컴퓨터 작업을 검토하고 오류를 수정하고 배선도를 수정했습니다.
지난해 연구자들은 신경망 전파 NS 그들이 “반뇌”라고 부르는 것, 수면, 학습 및 탐색에 필수적인 영역과 구조를 포함하는 중앙 파리의 뇌의 많은 부분.
온라인에서 자유롭게 접근할 수 있는 신경계는 약 25,000개의 뉴런과 2,000만 개의 시냅스를 포함하며, 이는 C. elegans보다 훨씬 많은 수입니다.
뉴욕 록펠러 대학의 신경과학자 코리 바그만(Corey Bargman)은 “이는 엄청난 증가”라고 말했다. “이것은 뇌 연결성 연구 목표를 향한 큰 단계입니다.”
안내에 오신 것을 환영합니다
일단 뇌의 신경망이 준비되면 비행 항법 신경과학의 전문가인 Dr. Gyaraman은 중앙 풀의 데이터에 뛰어들기를 열망했습니다.
약 3,000개의 뉴런을 포함하고 모든 곤충에서 발견되는 뇌 영역은 파리가 세계와의 공간적 관계에 대한 내부 모델을 구축하고 배고플 때 음식을 찾는 것과 같은 상황에 적합한 행동을 선택하고 구현하는 데 도움이 됩니다.
“이런 배선도를 저에게 줄 수 있다는 말씀이신가요?” Jayaraman 박사는 말했습니다. “이것은 Apple iPhone에 대한 통찰력을 얻는 것보다 더 나은 산업 스파이입니다.”
그와 그의 동료들은 신경망 데이터를 살펴보고 그 지역의 신경 회로가 어떻게 함께 그룹화되었는지 연구했습니다.
예를 들어 Jayaraman 박사 연구실의 박사후 연구원인 Hannah Haberkern은 감각 정보를 타원체로 보내는 뉴런을 분석했습니다. 실내 비행 나침반.
Haberkern 박사는 빛의 편광에 대한 정보를 전달하는 것으로 알려진 뉴런(많은 동물이 탐색에 사용하는 보편적인 생태 지침)이 다른 세포에 대한 정보를 전달하는 뉴런보다 나침반 뉴런과 더 많이 연결된다는 것을 발견했습니다. 시각적 랜드마크 및 랜드마크.
빛의 편광에 전념하는 뉴런은 또한 다른 탐색 신호에 대한 정보를 제공하는 뇌 세포에 연결하고 이를 심각하게 억제할 수 있습니다.
연구자들은 플라이 브레인이 이동 중에도 지구 환경에 대한 정보의 우선 순위를 정하도록 연결될 수 있다고 가정합니다. 또한 이러한 회로는 유연하므로 이 정보가 충분하지 않을 때 풍경의 지역적 특징에 더 많은 주의를 기울일 수 있습니다. Haberkern 박사는 “그들은 이러한 모든 백업 전략을 가지고 있습니다.
과일 파리 집 전화
연구팀의 다른 구성원들은 파리가 머리와 몸의 방향을 추적하고, 미래 방향과 이동 방향을 예측하고, 원하는 다른 위치에 대한 현재 방향을 계산한 다음 이동하는 데 도움이 되는 특정 신경 경로를 확인했습니다. 그 방향으로.
예를 들어, 배고픈 파리가 더 나은 것을 원할 수 있는지 보기 위해 썩은 바나나를 일시적으로 포기했다고 상상해 보십시오. 그러나 몇 분 동안 아무 소용이 없는 탐색(문자 그대로) 후에, 그녀는 이전 식사로 돌아가고 싶어합니다.
신경망 데이터는 기술적으로 PFL3 뉴런으로 알려진 특정 뇌 세포가 파리가 이 기동을 수행하는 데 도움이 된다고 제안합니다. 이 뉴런은 두 가지 중요한 입력을 받습니다. 즉, 파리가 향하는 방향을 따르는 뉴런과 바나나의 방향을 모니터링할 수 있는 뉴런으로부터 신호를 받습니다.
이러한 신호를 수신한 후 PFL3 뉴런은 자신의 메시지를 뉴런 그룹에 전송하여 파리가 올바른 방향으로 방향을 바꾸도록 합니다. 저녁 식사가 다시 제공됩니다.
이 부분의 분석을 주도한 Dr. Jayaraman 연구실의 연구 과학자인 Brad Hulse는 “감각에서 운동에 이르는 복잡한 중간 회로를 통해 해당 회로를 통해 이 활동을 추적하는 능력은 정말 놀랍습니다.”라고 말했습니다. 그는 신경망이 “우리가 생각했던 것보다 훨씬 더 많은 것을 보여줬다”고 덧붙였다.
75개의 그림 초안을 포함하고 360페이지에 달하는 컬렉션 페이퍼는 시작에 불과합니다.
스웨덴 룬드 대학(Lund University)의 곤충 신경과학 전문가인 스탠리 하인즈(Stanley Heinz)는 “뇌 영역을 더 자세히 탐구하는 것은 이 중요한 사실을 제공한다”고 말했다. “매우 인상적입니다.”
그리고 막막합니다. “나는 그것을 연구 논문으로 취급하지 않고 오히려 책으로 취급할 것입니다”라고 Dr. Heinz는 말했습니다.
실제로 종이가 너무 커서 프리프레스 서버가 bioRxiv 처음에 그들은 그것을 출판하기를 거부했는데, 아마도 공무원들이 – 이해할 수 있는 이유로 – 그것이 정말로 그럴 것이라고 생각했기 때문일 것입니다. 자야라만 박사가 말했다. (서버는 며칠 더 처리한 후 결국 연구가 출판되었다고 표시했습니다.)
Jayaraman 박사는 eLife에 논문을 게시하려면 “특별한 권한과 편집 위원회와의 의사 소통이 필요합니다”라고 덧붙였습니다.
비행 강습
단일 뇌의 스냅샷이 한 순간에 드러낼 수 있는 것에는 한계가 있으며 신경망은 동물의 뇌에서 흥미로운 모든 것을 포착하지 못합니다. (예를 들어, Janelia의 신경망은 뇌에서 모든 종류의 중요한 작업을 수행하는 신경교 세포를 생략합니다.)
Jayaraman 박사와 동료들은 다른 많은 과학자들이 수십 년에 걸친 선행 연구 없이 신경망에서 초파리 행동, 기본 신경 생리학 및 기능, 신경 과학 이론에 대해 많은 것을 추론할 수 없었을 것이라고 주장했습니다. 일하다.
그러나 배선 다이어그램은 연구자가 기존 이론을 조사하고 더 나은 가설을 세우고 어떤 질문을 하고 어떤 실험을 수행할지 결정하는 데 도움이 될 수 있습니다.
“이제 우리가 정말로 흥분하는 것은 신경망에서 영감을 얻은 아이디어를 현미경으로 다시 가져와 전극으로 돌아가 실제로 뇌를 기록하고 그 아이디어가 사실인지 확인하는 것입니다”라고 Hulse 박사가 말했습니다. .
물론 어떤 사람은 초파리 뇌의 회로가 왜 그렇게 중요한지 궁금해 할 수 있습니다.
Hulse 박사는 “휴일에 이것에 대해 많이 묻습니다.
파리는 생쥐, 침팬지 또는 인간이 아니지만 뇌는 동일한 기본 작업 중 일부를 수행합니다.. 곤충의 기본 신경 회로를 이해하는 것은 다른 동물의 뇌가 유사한 문제를 처리하는 방법에 대한 중요한 단서를 제공할 수 있다고 세인트루이스에 있는 워싱턴 대학의 신경과학자 데이비드 반 에센(David Van Essen)은 말했습니다.
파리의 뇌에 대한 깊은 이해를 얻은 그는 “또한 포유류, 심지어 인간의 뇌와 행동을 이해하는 데 매우 중요한 통찰력을 제공합니다.”라고 말했습니다.
더 크고 복잡한 두뇌를 위한 네트워크를 만드는 것은 매우 어려울 것입니다. 쥐의 뇌에는 약 7천만 개의 뉴런이 있고 인간의 뇌에는 860억 개의 뉴런이 있습니다.
그러나 복잡한 중앙 잎은 확실히 혼자가 아닙니다. 현재 지역 마우스와 인간 신경망에 대한 자세한 연구가 진행 중이라고 리드 박사는 말했습니다. “앞으로 더 많은 것이 있습니다.”
잡지 편집자 여러분, 스스로를 경고라고 생각하십시오.
