Картирование разума: мозговая деятельность червя C. elegans полностью расшифрована

Используя новые технологии и методологии, они разработали всеобъемлющий атлас, демонстрирующий, как большинство нейронов червя кодируют его различные действия.

Это исследование дает понимающий взгляд на то, как нервная система животного контролирует поведение. Выводы, данные и модели группы доступны на WormWideWeb.

Ключевые факты:

1. В исследовании использовался новый микроскоп и система программного обеспечения, которая отслеживала почти все поведение червя и активность каждого нейрона в его голове.

2. Исследование показало, что нейроны кодируют как текущее, так и прошлое поведение, позволяя червю понять, как его прошлые действия влияют на его нынешнюю ситуацию.

3. Важным открытием стало то, что 30% нейронов, которые кодируют поведение, могут переназначать кодировку своего поведения, адаптируя свои функции в зависимости от меняющихся обстоятельств.

Источник: Институт обучения и памяти Пикауэра.

Чтобы понять полную взаимосвязь между активностью мозга и поведением, ученым нужен был способ отобразить эту взаимосвязь для всех нейронов всего мозга — пока что это непреодолимая задача.

Но после изобретения новых технологий и методов для этой цели группа ученых из Института обучения и памяти Пиковера в Массачусетском технологическом институте провела тщательный учет нейронов в послушном крошечном мозгу скромного червя C. elegans, наметив, как его Клетки мозга кодируют почти все основные его действия, такие как движение и кормление.

Команда использовала систему для записи одновременного поведения и нейронных данных более чем 60 червей, когда они бродили по тарелкам и делали все, что хотели. Фото: Новости неврологии

В журнале Cell команда представляет новые записи всего мозга и математическую модель, которая точно предсказывает разнообразные способы, которыми нейроны представляют поведение червя.

Применив эту модель конкретно к каждой клетке, команда создала атлас того, как большинство клеток и схемы, в которых они участвуют, кодируют действия животного. Таким образом, атлас раскрывает лежащую в основе «логику» того, как мозг червя производит сложный и гибкий репертуар поведения даже при изменении окружающих его обстоятельств.

«Это исследование представляет собой глобальную карту того, как нервная система животного организована для управления поведением», — сказал старший автор Стивен Флавелл, доцент кафедры мозга и когнитивных наук Массачусетского технологического института.

«Он показывает, как множество определенных узлов, составляющих нервную систему животного, кодируют точные поведенческие особенности, и как это зависит от таких факторов, как недавний опыт животного и его текущее состояние».

Со-руководителями исследования являются аспиранты Чонсу Ким и Адам Атанас, каждый из которых этой весной получил докторскую степень за исследование. Они также сделали все свои данные, а также результаты своей модели и атласа бесплатным доступом для коллег-исследователей на веб-сайте под названием WormWideWeb .

Микроскопы к моделям

Чтобы провести измерения, необходимые для разработки модели, лаборатория Флавелла изобрела новый микроскоп и систему программного обеспечения, которая автоматически отслеживает почти все поведение червя (движение, питание, сон, откладывание яиц и т. д.) и активность каждого нейрона в его организме. голова (клетки устроены так, чтобы мигать при накоплении ионов кальция).

Чтобы надежно различать и отслеживать отдельные нейроны, пока червь извивается и изгибается, потребовалось написать специальное программное обеспечение с использованием новейших инструментов машинного обучения. Ученые сообщают, что он оказался точным на 99,7% при выборке активности отдельных нейронов со значительно улучшенным отношением сигнал-шум по сравнению с предыдущими системами.

Команда использовала систему для записи одновременного поведения и нейронных данных более чем 60 червей, когда они бродили по тарелкам и делали все, что хотели.

Анализ данных выявил три новых наблюдения о нейронной активности червя: нейроны отслеживают поведение не только в настоящий момент, но и в недавнем прошлом; они настраивают свою кодировку поведения, например движения, на основе удивительного разнообразия факторов; и многие нейроны одновременно кодируют несколько вариантов поведения.

Например, в то время как поведение, связанное с ерзанием вокруг своей маленькой лабораторной посуды, может показаться очень простым действием, нейроны представляют такие факторы, как скорость, управление и то, ест ли червь или нет. В некоторых случаях они представляли движение животного, отодвинутое назад во времени примерно на минуту.

Кодируя недавнее, а не только текущее движение, эти нейроны могут помочь червю вычислить, как его прошлые действия повлияли на его текущий результат. Многие нейроны также объединяли поведенческую информацию для выполнения более сложных маневров.

Подобно тому, как водитель-человек должен помнить о том, что при движении задним ходом, а не вперед, необходимо управлять автомобилем в противоположном направлении, определенные нейроны в мозгу червя интегрировали направление движения животного и направление руления.

Тщательно проанализировав такие закономерности того, как нейронная активность коррелирует с поведением, ученые разработали модель вероятностного нейронного кодирования C. elegans .

Модель, заключенная в одном уравнении, объясняет, как каждый нейрон представляет различные факторы, чтобы точно предсказать, отражает ли нейронная активность поведение и каким образом. Почти 60 процентов нейронов в голове червя действительно отвечали по крайней мере за одно поведение.

При подгонке модели исследовательская группа использовала вероятностный подход к моделированию, который позволил им понять, насколько они уверены в каждом параметре подходящей модели. Впервые этот подход был предложен соавтором Викашем Мансингка, ведущим ученым-исследователем, который возглавляет проект вероятностных вычислений Массачусетского технологического института.

Изготовление атласа

При создании модели, которая могла бы количественно определять и предсказывать, как любая клетка мозга будет представлять поведение, команда первоначально собирала данные с нейронов, не отслеживая специфические особенности клеток. Но ключевая цель изучения червей — понять, как каждая клетка и контур влияют на поведение.

Таким образом, чтобы применить возможности модели к каждому из конкретных нейронов червя, которые были предварительно нанесены на карту, следующим шагом команды было сопоставление нейронной активности и поведения для каждой клетки на карте.

Для этого требовалось пометить каждый нейрон уникальным цветом, чтобы его активность можно было ассоциировать с его личностью. Команда сделала это на десятках свободно движущихся животных, что дало им информацию о том, как почти все определенные нейроны в голове червя связаны с поведением животного.

Атлас, полученный в результате этой работы, выявил множество идей, более полно отображающих нейронные цепи, которые контролируют поведение каждого животного. По словам Флавелла, эти новые результаты позволят получить более целостное понимание того, как контролируется такое поведение.

«Это позволило нам завершить схемы», — сказал он. «Мы надеемся, что по мере того, как наши коллеги изучают аспекты функционирования нейронных цепей, они смогут обратиться к этому атласу, чтобы получить довольно полное представление о задействованных ключевых нейронах».

Создан для гибкости

Еще одним важным результатом работы команды стало открытие, что, хотя большинство нейронов всегда подчинялись предсказаниям модели, меньший набор нейронов в мозгу червя — около 30 процентов тех, которые кодируют поведение — был способен гибко переназначать кодировку своего поведения. по сути устраиваются на новую работу.

Нейроны в этой группе были достоверно сходны у животных и были хорошо связаны друг с другом на схеме синаптической проводки червя.

Теоретически эти события переназначения могут происходить по любому количеству причин, поэтому команда провела дополнительные эксперименты, чтобы выяснить, могут ли они вызывать переназначение нейронов. Когда черви извивались вокруг своей посуды, исследователи применили быстрый лазерный разряд, который нагревал агар вокруг головы червя.

Тепло было безвредным, но достаточным, чтобы на какое-то время раздражать червей, вызывая изменение в поведенческом состоянии животного, которое длилось несколько минут. Из этих записей команда смогла увидеть, что многие нейроны переназначали свои поведенческие коды, когда животные меняли поведенческие состояния.

«Поведенческая информация широко представлена в мозге во многих различных формах — с различными настройками, временными шкалами и уровнями гибкости — которые отображаются на определенные классы нейронов коннектома C. elegans » , — пишут авторы.

Помимо Атанаса, Кима, Мансингки и Флавелла, другими авторами статьи являются Зию Ван, Эрик Буэно, Маккой Беккер, Ди Канг, Юнгён Пак, Талия Крамер, Флосси Ван, Саба Баскойлу, Угур Даг, Эльпиники Калогеропулу, Мэтью Гомес, Касси Эстрем и Нетта Коэн.

Финансирование: источники финансирования исследования включают Национальные институты здравоохранения, Национальный научный фонд, Фонд Макнайта, Фонд Альфреда П. Слоана, Институт обучения и памяти Пикауэра и Фонд JPB.

Об этих новостях исследования картирования мозга

Автор: Дэвид Оренштейн

Источник: Институт обучения и памяти Пикауэра

Контактное лицо: Дэвид Оренштейн — Институт обучения и памяти Пикауэра

Изображение: Изображение предоставлено Neuroscience News.

Оригинальное исследование: результаты появятся в Cell

Источник: neurosciencenews.com

Комментарии: