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科学者がこの生き物の脳のマッピングに何年も費やしたのはなぜですか?

ショウジョウバエの脳の大きさはケシの実の大きさで、見落としがちです。

バージニア州にあるハワードヒューズ医学研究所のジャネリアリサーチキャンパスの神経科学者であるVivekJayaramanは、次のように述べています。 「しかし、もちろん、ハエは非常に豊かな生活を送っています。」

ハエは、多様な風景をナビゲートするなど、複雑な行動をとることができます。 競合他社との闘い 潜在的な仲間を歌う。 そして、それらのスポットサイズの脳は非常に複雑で、約100,000個のニューロンと それらの間の数千万の接続またはシナプス。

2014年以来、ジャネリアの科学者チームは Googleの研究者は、ショウジョウバエの脳の包括的な配線図(ニューラルネットワークとも呼ばれます)を作成するために、これらのニューロンとシナプスをマッピングしました。

継続的な作業は、最新の機械学習アルゴリズムの助けを借りても、時間と費用がかかります。 しかし、これまでに発表されたデータはその詳細が驚くべきものであり、ハエの脳の多くの重要な領域に数万のとげのあるニューロンのアトラスを形成しています。

そしていま、 巨大な新しい葉で火曜日にジャーナルeLifeに発表された神経科学者は、それを使って何ができるかを示し始めています。

ハエの脳のごく一部(ナビゲーションで重要な役割を果たす中央の複合体)のニューラルネットワークを分析することにより、Gyaraman博士と同僚​​は、ハエがそれらを作るのを助けるように見える数十の新しいニューロンタイプと特定の神経回路を特定しました世界を通り抜ける方法。 この作業は、最終的には、私たちを含むすべての種類の動物の脳が大量の感覚情報を処理し、それを適切な行動に変換する方法についての洞察を提供するのに役立つ可能性があります。

これは、詳細な脳配線図を作成することで科学的な利益が得られるという約束に基づいて構築された、現代の神経接続の新しい分野の原理の証明でもあります。

「それは本当に珍しいことです」と、シアトルのアレン脳科学研究所の主任研究員であるクレイ・リード博士は新しい論文について述べました。 「それを見ている人なら誰でも、シナプスは神経科学に必要なツールだと言うだろうと思う。完全に停止する」

動物界で唯一の完全なニューラルネットワークは、謙虚な回虫、C。エレガンスに属しています。 後にノーベル賞を受賞した先駆的な生物学者シドニー・ブレナーは、1960年代にプロジェクトを開始しました。 彼の小さなチームは、色鉛筆を使用して302個のニューロンすべてを手作業で追跡し、それに何年も費やしました。

「ブレナーは、神経系を理解するには、その構造を知る必要があることに気づきました」と、アルバートアインスタイン医科大学の神経科学者および遺伝学者であるスコットエモンズは述べています。 新しいニューラルネットワークを作成するC.elegans。 これは生物学全体に当てはまります。 構造は非常に重要です。」

ブレナー他 彼らの歴史的論文、1986年に340ページに記録されました。

しかし、現代の神経接続の分野は、イメージングとコンピューティングの進歩によって最終的に大きな脳内の接続を特定できるようになった2000年代まで普及しませんでした。 近年、世界中の研究チームがゼブラフィッシュ、鳴き鳥、マウス、人間などのニューラルネットワークをつなぎ合わせ始めています。

2006年にジャネリアリサーチキャンパスが開設されたとき、創設者のジェラルドルービンは、ミバエに目を向けました。 「仲間のワームを怒らせたくないが、ハエは実際に面白くて複雑な行動をする最も単純な脳だと思う」とルービン博士は語った。

ジャネリアのいくつかの異なるチームは、その後の数年間で航空通信ネットワークプロジェクトに着手しましたが、新しい論文につながった作業は2014年に始まりました。 5日齢のメスのミバエの脳。

研究者たちは、ハエの脳をプレートにスライスし、集束イオンビーム走査型電子顕微鏡と呼ばれる手法を使用して、それらをレイヤーごとに画像化しました。 顕微鏡は本質的に非常に小さく非常に正確な爪やすりとして機能し、脳の非常に薄い層を取り除き、露出した組織の写真を撮り、何も残らなくなるまでこのプロセスを繰り返しました。

「あなたはハエの脳の小さな部分を同時に画像化して切断しているので、それらはあなたが終わった後はそこにありません」とジャヤラマン博士は言いました。 「それで、何か問題が発生した場合は、完了です。ガチョウが調理されているか、ハエの脳が調理されています。」

次に、チームはコンピュータービジョンソフトウェアを使用して、結果として得られた何百万もの画像を1つの3Dフォルダーにつなぎ合わせ、Googleに送信しました。 そこで、研究者たちは高度な機械学習アルゴリズムを使用して、個々のニューロンを識別し、そのねじれた枝を追跡しました。

最後に、ジャネリアのチームは追加の計算ツールを使用してシナプスを特定し、人間の研究者はコンピューターの作業をレビューし、エラーを修正し、配線図を改訂しました。

昨年、研究者 ニューラルネットワークの伝播 NS 彼らが「ヘミブレイン」と呼んだもの、 睡眠、学習、ナビゲーションに不可欠な領域と構造を含む、中央のハエの脳の大部分。

オンラインで自由にアクセスできる神経系には、約25,000個のニューロンと2,000万個のシナプスが含まれており、これはC.elegansよりもはるかに多い数です。

ニューヨークのロックフェラー大学の神経科学者であるコーリー・バーグマン氏は、「これは大幅な増加だ」と語った。 「これは、脳の接続性に取り組むという目標に向けた大きな一歩です。」

脳の神経ネットワークの準備が整うと、ハエのナビゲーションの神経科学の専門家であるギャラマン博士は、中央プールのデータに飛び込むことに熱心でした。

約3,000のニューロンを含み、すべての昆虫に見られる脳領域は、ハエが世界との空間的関係の内部モデルを構築し、空腹時に餌を探すなど、状況に適した行動を選択して実装するのに役立ちます。

「このような配線図を教えてくれませんか?」 ジャヤラマン博士は言った。 「これは、AppleiPhoneへの洞察を得ることによって得ることができるよりも優れた産業スパイです。」

彼と彼の同僚は、ニューラルネットワークのデータを調べて、この地域の神経回路がどのようにグループ化されているかを研究しました。

たとえば、ジャヤラマン博士の研究室のポスドクであるハンナハーバーカンは、感覚情報を楕円体に送信するニューロンを分析しました。楕円体は、円形のケーキ型の構造で、 屋内フライコンパス

Haberkern博士は、光の偏光に関する情報を伝達することが知られているニューロン(多くの動物がナビゲーションに使用する普遍的な生態学的ガイド)が、他の細胞に関する情報を伝達するニューロンよりもコンパスニューロンとの接続が多いことを発見しました。 視覚的なランドマークとランドマーク。

光の偏光に専念するニューロンは、他のナビゲーション信号に関する情報を提供する脳細胞にも接続し、それらを厳しく抑制することができます。

研究者たちは、ハエの脳は外出先で地球環境に関する情報を優先するように配線されている可能性があるが、これらの回路は柔軟であるため、この情報が不十分な場合は、風景の局所的な特徴にもっと注意を払うことができると仮定しています。 「彼らはこれらすべてのバックアップ戦略を持っている」とハーバーカーン博士は言った。

研究チームの他のメンバーは、ハエが頭と体の方向を追跡し、将来の方向と進行方向を予測し、別の目的の場所に対する現在の方向を計算してから移動するのを助けるのに適していると思われる特定の神経経路を特定しましたその方向に。

たとえば、空腹のハエが腐ったバナナを一時的にあきらめて、もっと良いものを振れるかどうかを確認したとします。 しかし、(文字通り)無益な探索を数分間行った後、彼女は前の食事に戻りたいと思っています。

ニューラルネットワークのデータは、技術的にはPFL3ニューロンとして知られている特定の脳細胞が、ハエがこの操作を行うのを助けることを示唆しています。 これらのニューロンは2つの重要な入力を受け取ります。フライが向いている方向をたどるニューロンと、バナナの方向を監視する可能性のあるニューロンから信号を受け取ります。

これらの信号を受信した後、PFL3ニューロンは独自のメッセージをニューロンのグループに送信し、フライを正しい方向に向けるよう促します。 夕食はまた出されます。

分析のこの部分を主導したジャヤラマン博士の研究室の研究科学者であるブラッド・ハルスは、次のように述べています。 ニューラルネットワークは、「私たちが思っていたよりもはるかに多くのことを私たちに示した」と彼は付け加えた。

75の図のドラフトを含み、360ページにわたるコレクションペーパーはほんの始まりに過ぎません。

スウェーデンのルンド大学の昆虫神経科学の専門家であるスタンリーハインツは、次のように述べています。 「とても印象的です。」

そして、ただ手ごわい。 「私はそれを研究論文としてではなく、本として扱います」とハインツ博士は言いました。

実際、紙は非常に大きいため、プリプレスサーバー bioRxiv 最初、彼らはそれを公開することを拒否しました。おそらく、当局は-理解できる理由で-それが本当にそうだと思ったからでしょう。 本、ジャヤラマン博士は言った。 (サーバーは、処理に数日余分に費やした後、最終的に調査が公開されたことを示しました。)

Jayaraman博士は、eLifeで論文を発表するには、「特別な許可と編集委員会とのコミュニケーションが必要」と付け加えました。

単一の脳のスナップショットが一度に明らかにできるものには制限があり、ニューラルネットワークは動物の脳で興味深いすべてをキャプチャするわけではありません。 (たとえば、ジャネリアのニューラルネットワークは、脳内のあらゆる種類の重要なタスクを実行するグ​​リア細胞を省略しています。)

ジャヤラマン博士と同僚​​は、他の多くの科学者による数十年前の研究がなければ、ミバエの行動と基本的な神経生理学と機能、そして理論的神経科学について、ニューラルネットワークから多くを推測することはできなかったと主張しました。 仕事。

しかし、配線図は、研究者が既存の理論を調査し、より良い仮説を立てるのに役立ち、どの質問をし、どの実験を実行するかを決定します。

「今、私たちが本当に興奮しているのは、ニューラルネットワークに触発されたアイデアを顕微鏡に戻し、電極に戻って実際に脳を記録し、それらのアイデアが真実かどうかを確認することです」とHulse博士は述べています。 。

もちろん、ショウジョウバエの脳の回路がなぜそれほど重要なのか、疑問に思う人もいるかもしれません。

「私は休日にこれについてたくさん尋ねられます」とHulse博士は言いました。

ハエはマウス、チンパンジー、または人間ではありませんが、彼らの脳は同じ基本的なタスクのいくつかを実行します。セントルイスのワシントン大学の神経科学者であるデビッド・ヴァン・エッセン氏は、昆虫の基本的な神経回路を理解することで、他の動物の脳が同様の問題にどのように対処するかについての重要な手がかりを得ることができると述べた。

ハエの脳を深く理解することで、「哺乳類、さらには人間の脳とその行動を理解することに非常に関連する洞察も得られる」と彼は述べた。

より大きく、より複雑な脳のためのネットワークを作成することは非常に困難です。 マウスの脳には約7000万個のニューロンが含まれていますが、人間の脳には860億個のニューロンがあります。

しかし、複雑な中央の葉は確かに一人ではありません。 現在、地域のマウスと人間のニューラルネットワークの詳細な研究が進行中である、とリード博士は言った:「これからもっとたくさんのことがある」。

雑誌の編集者は、自分自身を警告と考えてください。

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