پزشکی و سلامت ,علمی، پژوهشی و فناوری

انقلابی در علوم اعصاب؛ ارتباط کامل مغز

به گزارش پایگاه خبری علم و فناوری : این نقشه مکان و آرایش دقیق 50 نورون بزرگ کانکتوم مغز مگس را نشان می دهد. این 50 سلول مغزی دیگر به همراه 139205 سلول مغزی دیگر در مغز مگس میوه بالغ، توسط تیمی از دانشمندان علوم اعصاب، گیمرها و ردیاب‌های حرفه‌ای به رهبری دانشگاه پرینستون نقشه‌برداری شدند. فعالیت درون این نورون‌ها (سلول‌های مغز) هر کاری را که ارگانیسم انجام می‌دهد، از ادراک حسی گرفته تا تصمیم‌گیری تا کنترل پرواز، هدایت می‌کند. سلول های مغز با بیش از 50 میلیون اتصال (سیناپس) به هم متصل هستند. اعتبار: تایلر اسلون و امی استرلینگ / فلای وایر / دانشگاه پرینستون
محققان با حمایت NIH's BRAIN Initiative، نقشه ای جامع از مغز مگس میوه ایجاد کرده اند که انواع نورون ها و اتصالات سیناپسی را شناسایی می کند.

این اتصال دقیق، مطالعات جدید در مورد عملکردهای مغز مانند کنترل حرکتی و تصمیم‌گیری را تسهیل می‌کند و راه را برای شبیه‌سازی‌ها و بینش‌های آینده در مورد فعالیت‌های پیچیده مغز هموار می‌کند.

تحقیقات نوروبیولوژیکی پیشگامانه

اخیراً تیمی از دانشمندان با حمایت موسسه ملی بهداشت (NIH) به نام The BRAIN Initiative® ، از جمله داوی باک، دکتری، دانشیار علوم عصبی در دانشگاه ورمونت، دکتر کالج پزشکی، رابرت لارنر، ساخته اند. یک پیشرفت قابل توجه در تحقیقات عصبی زیستی با نقشه برداری موفقیت آمیز از کل مغز مگس سرکه که معمولاً به عنوان مگس میوه شناخته می شود.

این مطالعه که اخیراً در مجله Nature منتشر شده است ، با عنوان "حاشیه نویسی کل مغز و تایپ سلولی چند اتصالی مگس سرکه" یک "اطلس نوع سلولی اجماع" یا یک راهنمای جامع برای درک انواع مختلف سلول ها در میوه ایجاد کرد. مغز پرواز مغز مگس میوه حاوی حدود 130000 نورون است (مغز یک انسان حاوی 86 میلیارد است؛ موش ها که اغلب در تحقیقات و آزمایش های علمی برای انسان قرار دارند، 100 میلیون نورون دارند).

مجموعه داده‌های میکروسکوپ الکترونی زیر کانکتوم کل مغز (معروف به FAFB یا "مغز پرواز کامل بزرگسالان") از اشکال دقیق هر نورون در مغز مگس و همچنین تمام ارتباطات سیناپسی بین آنها برای شناسایی و فهرست‌بندی انواع سلول‌ها استفاده می‌کند. در مغز این نقشه کامل به محققان کمک می‌کند تا نحوه عملکرد مدارهای مختلف را برای کنترل رفتارهایی مانند کنترل حرکتی، معاشقه، تصمیم‌گیری، حافظه، یادگیری و ناوبری شناسایی کنند.

این تصویر اتصال کامل مگس میوه را نشان می دهد: تمام 139255 سلول مغزی در مغز یک مگس میوه بالغ. فعالیت درون این نورون‌ها کل ارگانیسم را از ادراک حسی گرفته تا تصمیم‌گیری تا پرواز را به حرکت در می‌آورد. این نورون ها با بیش از 50 میلیون اتصال (سیناپس) به هم متصل هستند. یک تیم به رهبری پرینستون متشکل از گیمرها، دانشمندان علوم اعصاب و ردیاب‌های حرفه‌ای، با استفاده از ۲۱ میلیون تصویر، مکان‌ها و اتصالات هر سلول مغز را به دقت ترسیم کردند. اعتبار: تایلر اسلون / فلای وایر / دانشگاه پرینستون
گرگوری جفریس، سرپرست تیم تحقیق، دکتری گفت: «اگر می‌خواهیم بفهمیم مغز چگونه کار می‌کند، به درک مکانیکی از اینکه چگونه همه نورون‌ها در کنار هم قرار می‌گیرند و به شما اجازه می‌دهیم فکر کنید، نیاز داریم.» برای اکثر مغزها، ما نمی‌دانیم این شبکه‌ها چگونه کار می‌کنند. اکنون برای پرواز ما این نمودار سیم کشی کامل را داریم، یک گام کلیدی در درک عملکردهای پیچیده مغز. در واقع، با استفاده از داده‌های ما که در حین کار به‌صورت آنلاین به اشتراک گذاشته شده‌اند، دانشمندان دیگر تلاش خود را برای شبیه‌سازی نحوه واکنش مغز مگس به جهان خارج آغاز کرده‌اند.

دکتر گرگوری جفریس، سرپرست تیم تحقیق، اظهار داشت: «برای شروع شبیه‌سازی دیجیتالی مغز، ما نه تنها باید ساختار مغز، بلکه نحوه عملکرد نورون‌ها برای روشن و خاموش کردن یکدیگر را نیز بدانیم». دانشمندان دیگر با استفاده از داده‌های ما که در حین کار به صورت آنلاین به اشتراک گذاشته شده‌اند، شروع به شبیه‌سازی نحوه واکنش مغز مگس به دنیای خارج کرده‌اند. این یک شروع مهم است، اما ما باید انواع مختلفی از داده ها را جمع آوری کنیم تا شبیه سازی های قابل اعتمادی از نحوه عملکرد مغز تولید کنیم.

اهمیت و پیامدهای Fruit Fly Connectome

در حالی که مطالعات مشابهی با موجودات ساده تری مانند کرم نماتد C. elegans و مرحله لاروی مگس میوه انجام شده است، مگس میوه بالغ رفتارهای پیچیده تری برای مطالعه ارائه می دهد. اگرچه مغز مگس میوه به وضوح پیچیده تر از مغز انسان یا حتی موش است، پیامدهای این مطالعه عمیق است. اشتراکات فوق العاده ای در نحوه پردازش اطلاعات مدارهای عصبی در همه گونه ها وجود دارد . این کار اجازه می دهد تا اصول پردازش اطلاعات در یک ارگانیسم مدل ساده تر شناسایی شود و سپس در مغزهای بزرگتر جستجو شود. باک اشاره می کند که دانشمندان در حال حاضر قادر به افزایش این رویکرد برای مغز انسان نیستند، اما بیان می کند که این دستاورد نشان دهنده گامی قابل توجه به سمت اتصال کامل مغز موش است.

این نوع کار [که در این زمینه از کانکتومیک انجام می‌شود] وضعیت هنر را در هر قرن یک‌بار پیشرفت می‌کند و به ما امکان می‌دهد شکل‌ها و اتصالات هر نورون را در مغز کامل یک نورون ترسیم کنیم. حیوان نسبتاً پیچیده، مگس میوه بالغ، و برای حاشیه نویسی و استخراج کانکتوم حاصل با تجزیه و تحلیل نرم افزارهای پیشرفته. نه میکروسکوپ نوری - حتی با فلورسانس چند رنگ - و نه روش کلاسیک گلژی و رویکردهای وابسته به آن این قابلیت را فراهم نکرده است. "دستیابی به این شاهکار در مقیاس کل مغز یک ارگانیسم مدل ژنتیکی مهم مانند مگس میوه نشان دهنده یک پیشرفت قابل توجه در این زمینه است."

کنسرسیوم FlyWire و به اشتراک گذاری داده های مشترک

این مطالعه از ابزارها و داده های تولید شده توسط کنسرسیوم FlyWire استفاده می کند که شامل سرنخ های مطالعه مانند UVM's Bock می شود. گرگوری جفریس، دکترا، و فیلیپ شلگل، دکترای تخصصی، از آزمایشگاه بیولوژی مولکولی MRC و دانشگاه کمبریج. و سباستین سونگ، Ph.D. و مالا مورتی، دکترای دانشگاه پرینستون . این کنسرسیوم از تصاویر مغز میکروسکوپی الکترونی که قبلاً در آزمایشگاه Bock تولید شده بود برای ایجاد نقشه دقیقی از اتصالات بین نورون ها در کل مغز بالغ یک مگس میوه ماده استفاده کرد. این نقشه شامل حدود 50 میلیون سیناپس شیمیایی بین 139255 نورون فوق الذکر مگس است.

محققان همچنین اطلاعاتی در مورد انواع مختلف سلول‌ها، اعصاب، دودمان رشدی و پیش‌بینی‌هایی درباره انتقال‌دهنده‌های عصبی مورد استفاده توسط نورون‌ها اضافه کردند. ابزار تجزیه و تحلیل داده های دسترسی باز Connectome Data Explorer در دسترس و برای دانلود در دسترس است و می توان آن را به صورت تعاملی مرور کرد - همه این کارها با روحیه تشویق علم تیم انجام می شود. این کار در مقاله همراه با Nature ، "نمودار سیم کشی عصبی یک مغز بالغ" به تفصیل آمده است.

ما کل پایگاه داده را باز و رایگان در اختیار همه محققان قرار داده ایم. ما امیدواریم که این برای دانشمندان علوم اعصاب که سعی در درک بهتر نحوه عملکرد یک مغز سالم دارند، دگرگون کننده باشد. ما امیدواریم که در آینده بتوانیم آنچه را که در مغز ما اشتباه می‌شود، مقایسه کنیم، مثلاً در شرایط سلامت روان.

نتیجه گیری: نقش مگس میوه در علوم اعصاب

با ردیابی اتصالات از سلول‌های حسی به نورون‌های حرکتی، محققان می‌توانند مکانیسم‌های مداری بالقوه‌ای را که رفتارهای مگس‌های میوه را کنترل می‌کنند، کشف کنند، که گامی مهم در جهت درک پیچیدگی‌های شناخت و رفتار انسان است.

جان نگای، دکترای دکتر، مدیر حزب تامین مالی این مطالعه، NIH's The BRAIN Initiative® ، گفت: «مگس میوه کوچک به طرز شگفت‌آوری پیچیده است و برای مدت طولانی به عنوان یک مدل قدرتمند برای درک زیربنای بیولوژیکی رفتار عمل کرده است. این نقطه عطف نه تنها مجموعه‌ای از ابزارهای جدید را برای درک چگونگی رفتار مدارهای مغز در اختیار محققان قرار می‌دهد، بلکه به‌عنوان پیشگامی برای تلاش‌های مداوم با بودجه مغز برای نقشه‌برداری از ارتباطات مغز پستانداران و انسان‌های بزرگتر عمل می‌کند.