Por que os cientistas passaram anos mapeando o cérebro dessa criatura?

O tamanho do cérebro de uma mosca da fruta é do tamanho de uma semente de papoula e é fácil de ignorar.

“Acho que a maioria das pessoas nem mesmo pensa que a mosca tem cérebro”, disse Vivek Jayaraman, neurocientista do Campus de Pesquisa Janelia do Howard Hughes Medical Institute, na Virgínia. “Mas, é claro, as moscas vivem vidas muito ricas.”

As moscas são capazes de comportamentos complexos, incluindo a navegação em diversas paisagens, Lute com os concorrentes Cantar companheiros em potencial. E seus cérebros do tamanho de um ponto são muito complexos, contendo cerca de 100.000 neurônios e Dezenas de milhões de conexões ou sinapses entre eles.

Desde 2014, uma equipe de cientistas da Janelia tem colaborado com Pesquisadores do Google, mapeou esses neurônios e sinapses em um esforço para criar um diagrama de fiação abrangente, também conhecido como rede neural, do cérebro da Drosophila.

O trabalho, que é contínuo, é demorado e caro, mesmo com a ajuda de modernos algoritmos de aprendizado de máquina. Mas os dados divulgados até agora são surpreendentes em seus detalhes, formando um atlas de dezenas de milhares de neurônios espinhosos em muitas regiões cruciais do cérebro da mosca.

e agora, Em uma nova folha enormeOs neurocientistas, publicados terça-feira na revista eLife, começam a mostrar o que podem fazer com isso.

Ao analisar a rede neural de apenas uma pequena parte do cérebro de uma mosca – o complexo central, que desempenha um papel importante na navegação – o Dr. Gyaraman e colegas identificaram dezenas de novos tipos de neurônios e circuitos neurais específicos que parecem ajudar as moscas a fazerem seus caminho pelo mundo. O trabalho poderia eventualmente ajudar a fornecer informações sobre como todos os tipos de cérebros de animais, incluindo o nosso, processam uma enxurrada de informações sensoriais e as traduzem em ações apropriadas.

É também uma prova de princípio para o novo campo das conexões neurais modernas, baseadas na promessa de que a criação de diagramas de fiação cerebrais detalhados renderá ganhos científicos.

“É realmente incomum”, disse o Dr. Clay Reed, pesquisador sênior do Instituto Allen para Ciências do Cérebro em Seattle, sobre o novo artigo. “Acho que qualquer um que olhasse diria que as sinapses são uma ferramenta de que precisamos na neurociência – uma parada completa.”

“Sua mente voa está cozida”

A única rede neural completa no reino animal pertence à humilde lombriga, C. elegans. O biólogo pioneiro Sidney Brenner, que mais tarde ganhou o Prêmio Nobel, deu início ao projeto na década de 1960. Sua pequena equipe passou anos nisso, usando lápis de cor para rastrear todos os 302 neurônios à mão.

“Brenner percebeu que, para entender o sistema nervoso, é preciso conhecer sua estrutura”, disse Scott Emmons, neurocientista e geneticista do Albert Einstein College of Medicine. Crie uma nova rede neural C. elegans. Isso é verdade em toda a biologia. A estrutura é muito importante. ”

Brenner et al seu papel histórico, que foi registrado em 340 páginas, em 1986.

Mas o campo das conexões neurais modernas não decolou até os anos 2000, quando os avanços em imagem e computação finalmente tornaram possível identificar conexões em cérebros maiores. Nos últimos anos, equipes de pesquisa em todo o mundo começaram a juntar as redes neurais de peixes-zebra, pássaros canoros, ratos, humanos e muito mais.

Quando o Campus de Pesquisa da Janelia foi inaugurado em 2006, Gerald Rubin, seu diretor fundador, voltou sua atenção para a mosca da fruta. “Não quero ofender nenhum dos meus colegas vermes, mas acho que as moscas são o cérebro mais simples que realmente executa um comportamento interessante e complexo”, disse o Dr. Rubin.

Várias equipes diferentes na Janelia embarcaram em projetos de rede de comunicações de aviação nos anos seguintes, mas o trabalho que levou ao novo papel começou em 2014, com O cérebro de uma mosca-das-frutas fêmea com cinco dias de idade.

Os pesquisadores fatiaram o cérebro de uma mosca em placas e, em seguida, usaram uma técnica conhecida como microscopia eletrônica de varredura por feixe de íons para visualizá-los, camada por camada. O microscópio funcionava essencialmente como uma lima de unha muito pequena e muito precisa, removendo uma camada muito fina do cérebro, tirando uma foto do tecido exposto e repetindo o processo até que não houvesse mais nada.

“Você está simultaneamente visualizando e cortando pequenos segmentos do cérebro da mosca, então eles não estarão lá depois que você terminar”, disse Jayaraman. “Então, se você errar em algo, está tudo acabado. Ganso está cozido – ou seu cérebro de mosca está cozido.”

A equipe então usou um software de visão computacional para juntar milhões de imagens resultantes em uma única pasta 3D e enviá-las ao Google. Lá, os pesquisadores usaram algoritmos avançados de aprendizado de máquina para identificar cada neurônio individual e rastrear seus ramos de torção.

Finalmente, a equipe de Janelia usou ferramentas computacionais adicionais para identificar sinapses, e os pesquisadores humanos revisaram o trabalho dos computadores, corrigiram erros e revisaram os diagramas de fiação.

No ano passado, pesquisadores propagação da rede neural NS o que eles chamam de “hemibrain”, Uma grande parte do cérebro da mosca central, que inclui áreas e estruturas essenciais para o sono, aprendizagem e navegação.

O sistema nervoso, que pode ser acessado gratuitamente online, inclui cerca de 25.000 neurônios e 20 milhões de sinapses, um número muito maior do que C. elegans.

“É um aumento enorme”, disse Corey Bargman, neurocientista da Universidade Rockefeller em Nova York. “Este é um grande passo em direção ao objetivo de trabalhar na conectividade do cérebro.”

Bem-vindo ao guia

Assim que a rede neural do cérebro estava pronta, o Dr. Gyaraman, um especialista na neurociência da navegação com mosca, estava ansioso para mergulhar nos dados do reservatório central.

A região do cérebro, que contém aproximadamente 3.000 neurônios e é encontrada em todos os insetos, ajuda as moscas a construir um modelo interno de sua relação espacial com o mundo e então escolher e implementar comportamentos adequados às suas circunstâncias, como procurar comida quando estão com fome.

“Você está me dizendo que pode me dar o diagrama de fiação para algo assim?” Dr. Jayaraman disse. “Esta é uma espionagem industrial melhor do que você pode obter obtendo informações sobre o iPhone da Apple.”

Ele e seus colegas examinaram os dados da rede neural, estudando como os circuitos neurais da região foram agrupados.

Por exemplo, Hannah Haberkern, pós-doutoranda no laboratório do Dr. Jayaraman, analisou neurônios que enviam informações sensoriais para o elipsóide, uma estrutura circular em forma de bolo que atua como um Bússola interna.

O Dr. Haberkern descobriu que neurônios conhecidos por transmitir informações sobre a polarização da luz – um guia ecológico universal que muitos animais usam para navegação – fizeram mais conexões com os neurônios da bússola do que com os neurônios que transmitem informações sobre outras células. Marcos visuais e pontos de referência.

Neurônios dedicados à polarização da luz também se conectam a células cerebrais que fornecem informações sobre outros sinais de navegação – e são capazes de inibi-los severamente.

Os pesquisadores levantam a hipótese de que os cérebros das moscas podem ser programados para priorizar informações sobre o meio ambiente global em movimento – mas também que esses circuitos são flexíveis, de modo que, quando essas informações são insuficientes, eles podem prestar mais atenção às características locais da paisagem. “Eles têm todas essas estratégias de backup”, disse Haberkern.

Fruta mosca telefone residencial

Outros membros da equipe de pesquisa identificaram caminhos neurais específicos que parecem adequados para ajudar a mosca a rastrear a direção de sua cabeça e corpo, prever sua direção futura e direção de viagem, calcular sua direção atual em relação a outro local desejado e, em seguida, se mover nessa direção.

Imagine, por exemplo, que uma mosca faminta largasse temporariamente uma banana podre para ver se ela poderia abanar algo melhor. Mas depois de alguns minutos de exploração infrutífera (literalmente), ela quer voltar à refeição anterior.

Dados da rede neural sugerem que certas células cerebrais, conhecidas tecnicamente como neurônios PFL3, ajudam a mosca a realizar essa manobra. Esses neurônios recebem duas entradas importantes: recebem sinais de neurônios que seguem a direção da mosca e também de neurônios que podem monitorar a direção da banana.

Depois de receber esses sinais, os neurônios PFL3 enviam sua própria mensagem a um grupo de neurônios que fazem a mosca virar na direção certa. O jantar é servido novamente.

“A capacidade de rastrear essa atividade por meio desse circuito – dos sentidos ao motor, por meio deste complexo circuito intermediário – é realmente incrível”, disse Brad Hulse, um cientista pesquisador no laboratório do Dr. Jayaraman que liderou esta parte da análise. A rede neural, acrescentou ele, “nos mostrou muito mais do que pensávamos que aconteceria”.

O documento de coleção – que inclui um rascunho de 75 figuras e abrange 360 ​​páginas – é apenas o começo.

“Realmente oferece este fato chave para explorar mais esta região do cérebro”, disse Stanley Heinz, um especialista em neurociência de insetos na Universidade de Lund, na Suécia. “É muito impressionante.”

E simplesmente formidável. “Eu não o trataria como um artigo de pesquisa, mas sim como um livro”, disse o Dr. Heinz.

Na verdade, o papel é tão grande que o servidor de pré-impressão bioRxiv No início, eles se recusaram a publicá-lo, provavelmente porque os funcionários – por razões compreensíveis – pensaram que realmente era livro, disse o Dr. Jayaraman. (O servidor acabou indicando que o estudo foi publicado, após alguns dias extras de processamento.)

O Dr. Jayaraman acrescentou que publicar o artigo na eLife “requer algumas permissões especiais e comunicação com o conselho editorial”.

Aulas de vôo

Existem limitações para o que um instantâneo de um único cérebro pode revelar em um único momento no tempo, e as redes neurais não capturam tudo que é interessante no cérebro de um animal. (Por exemplo, a rede neural de Janelia omite células gliais, que realizam todos os tipos de tarefas importantes no cérebro.)

O Dr. Jayaraman e seus colegas afirmaram que não teriam sido capazes de inferir muito da rede neural se não por décadas de pesquisas anteriores, por muitos outros cientistas, sobre o comportamento da mosca-da-fruta e a fisiologia e função neural básica, bem como a neurociência teórica. trabalhar.

Mas os diagramas de fiação podem ajudar os pesquisadores a investigar as teorias existentes e formar melhores hipóteses, decidindo quais perguntas fazer e quais experimentos realizar.

“Agora, o que estamos realmente entusiasmados é pegar essas ideias que foram inspiradas pela rede neural e voltar ao microscópio, voltar aos nossos eletrodos e realmente registrar o cérebro e ver se essas ideias são verdadeiras”, disse o Dr. Hulse. .

Claro, alguém poderia – e alguns se perguntam – por que os circuitos do cérebro da Drosophila são tão importantes.

“Eu sou muito questionado sobre isso nos feriados”, disse Hulse.

As moscas não são ratos, chimpanzés ou humanos, mas seus cérebros realizam algumas das mesmas tarefas básicas.. Compreender os circuitos neurais básicos em um inseto pode fornecer pistas importantes de como o cérebro de outros animais lidam com problemas semelhantes, disse David Van Essen, neurocientista da Universidade de Washington em St. Louis.

Obter uma compreensão profunda do cérebro da mosca, disse ele, “também nos dá uma visão muito relevante para a compreensão dos cérebros dos mamíferos e até dos humanos e de seu comportamento”.

Criar redes para cérebros maiores e mais complexos será muito desafiador. O cérebro do rato contém aproximadamente 70 milhões de neurônios, enquanto o cérebro humano tem um volume de 86 bilhões.

Mas a complexa folha central certamente não está sozinha; Atualmente, estudos detalhados de redes neurais humanas e de camundongos regionais estão em andamento, Dr. Reed disse: “Há muito mais por vir.”

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