Forscher veröffentlichen das detaillierteste Nervenstrang-Connectome der Fruchtfliege

Zusammenfassung:Forscher enthüllten das umfassendste Konnektom des Nervenstrangs erwachsener Fruchtfliegen, analog zum menschlichen Rückenmark, und stellten damit eine außergewöhnliche Ressource für die wissenschaftliche Gemeinschaft dar.

Das aus etwa 23.000 Neuronen aufgebaute Konnektom enthüllt das komplexe Netzwerk, das die motorischen Funktionen der Fliege steuert. Aus den Daten sind bereits neue Erkenntnisse hervorgegangen, die frühere Theorien zur Flugbewegung in Frage stellen.

Dieser Erfolg fördert nicht nur das Verständnis der Fruchtfliegenneurologie, sondern dient auch als Modell für ähnliche zukünftige Projekte.

Wichtige Fakten:

Quelle:Janelia Forschungscampus

Bereits in diesem Jahr haben Forscher einen Schaltplan des Gehirns der Larven der Fruchtfliege veröffentlicht. Konnektome des kompletten erwachsenen weiblichen Fliegenhirns und des Optikuslappens werden im Jahr 2023 erwartet, das vollständige Konnektom des männlichen Fliegennervensystems folgt bald.

Am 6. Juni fügten Janelia-Wissenschaftler und Mitarbeiter in den USA und Großbritannien dem Connectome-Puzzle ein weiteres Teil hinzu, indem sie den Schaltplan des männlichen Nervenstrangs eines Erwachsenen, den sogenannten MANC, enthüllten.

Das Connectome, eine gemeinsame Anstrengung des FlyEM-Projektteams von Janelia und Mitarbeitern, wird in Vorabdrucken auf bioRxiv detailliert beschrieben und ist für Forscher weltweit über Janelia-Websites frei verfügbar.

Mit etwa 23.000 Neuronen, 10 Millionen präsynaptischen Stellen und 74 Millionen postsynaptischen Dichten ist das MANC das tiefgreifendste und vollständigste Konnektom des Nervenstrangs einer erwachsenen Fruchtfliege – eine Struktur, die dem menschlichen Rückenmark ähnelt, das am meisten kontrolliert der motorischen Funktionen der Fliege.

Die beispiellose Detailgenauigkeit dieser Karte von Neuronen und ihren Verbindungen wird Wissenschaftlern helfen herauszufinden, wie eine Fliege ihre Beine bewegt oder mit den Flügeln schlägt.

Wenn die 23.000 Neuronen, aus denen das MANC-Konnektom besteht, aneinandergereiht würden, würden sie sich über eine Länge von etwa 44 Metern erstrecken.

Zusammen mit den Konnektomdaten veröffentlichte Vorabdrucke beschreiben die verschiedenen Zelltypen, ihre Ursprünge und Verbindungen sowie die biologischen Erkenntnisse, die sich aus den Daten ergeben. Die Fruchtfliege ist ein Schlüsselorganismus, mit dem Neurowissenschaftler die Funktionsweise des Nervensystems erforschen. Daher sind Konnektome von entscheidender Bedeutung, um herauszufinden, wie Zellen zusammenarbeiten, um Verhalten zu ermöglichen.

„Sobald Sie ein ganzes Netzwerk sehen können, können Sie beginnen, große organisatorische Fragen zu stellen“, sagt Gwyneth Card, HHMI-Forscher am Zuckerman Institute der Columbia University und ehemaliger Janelia-Gruppenleiter, der das Projekt mitgeleitet hat.

Das MANC und die anderen freigesetzten Konnektome treten in die Fußstapfen des Hemihirn-Konnektoms, das 2020 von Janelia-Wissenschaftlern veröffentlicht wurde. Zu dieser Zeit war das Hemihirn – ein Teil des erwachsenen Fliegengehirns – der größte und umfassendste Schaltplan, der jemals fertiggestellt wurde dass eine Leistung vollbracht werden konnte, die viele für unmöglich hielten.

Die Freisetzung des Hemihirns führte zu zusätzlicher Unterstützung und Interesse an Connectome-Bemühungen. Forscher ergänzen nun fehlende Teile des Halbhirns und das Ziel, das gesamte Zentralnervensystem sowohl einer männlichen als auch einer weiblichen erwachsenen Fruchtfliege zu kartieren, ist in greifbare Nähe gerückt.

„Dieser Zug wird weiter rollen“, sagt Card. „Sie sehen erst den Anfang.“

Das MANC-Konnektom wurde mit Methoden konstruiert, die denen zur Kartierung des Hemihirns ähneln. Dabei bereitete das Janelia-Team die Nervenstrangprobe vor und bildete Schicht für Schicht nanometerdicke Scheiben auf fokussierten Ionenstrahl-Rasterelektronenmikroskopen ab. Die Algorithmen und Computer von Google fügten die Bilder zusammen und unternahmen einen ersten Versuch, Neuronen zu identifizieren.

Anschließend machte sich ein Team aus Janelianern und Mitarbeitern daran, die Daten Korrektur zu lesen – ein manueller Aufwand, um sicherzustellen, dass die Form und Konnektivität der Neuronen korrekt sind, und einer der zeitaufwändigsten Teile des Prozesses. Aufgrund der COVID-19-Pandemie entwickelte das Team Software für die Arbeit auf Heimcomputern. Zusammen mit der zusätzlichen Finanzierung durch den Wellcome Trust bedeutete dies, dass internationale Mitarbeiter leichter bei den Bemühungen helfen konnten.

„Da es vollständig Korrektur gelesen wurde und wir links und rechts die gleichen Neuronen finden können, können wir unseren Kollegen sagen: ‚Darauf können Sie vertrauen‘“, sagt Greg Jefferis, Neurowissenschaftler am MRC Laboratory of Molecular Biology and University aus Cambridge und ein weiterer Projektleiter, der Teil des Lenkungsausschusses des FlyEM-Projektteams ist.

Forscher in Cambridge identifizierten außerdem die verschiedenen Zelltypen, wo sie im Körper der Fliege vorkommen und aus welchen Stammzellen sie stammten, was dabei half, einige der Organisationsprinzipien herauszufinden.

„Der ventrale Nervenstrang wurde im Grunde als Blackbox angesehen“, sagt Lisa Marin, eine wissenschaftliche Mitarbeiterin an der Universität Cambridge, die die Zelltypisierungsbemühungen leitete.

„Eine große Mehrheit der Neuronen wurde nie identifiziert. Ein großer Teil unseres Prozesses bestand also darin, sie in kleinere Populationen aufzuteilen und sich dann mit der Konnektivität zu befassen.“

Die Untersuchung der Connectome-Daten hat bereits begonnen und einige Überraschungen ans Licht gebracht. Card und ihr Team fanden heraus, dass einige Verhaltensweisen, an denen dieselben Muskeln beteiligt sind, unterschiedliche prämotorische Mikroschaltkreise nutzen und nicht dieselben Schaltkreise, wie bisher angenommen.

Jefferis und sein Team beschrieben die komplexen, sich wiederholenden Schaltkreise, die die Beine steuern, und fanden überraschenderweise heraus, dass sich die Verbindungen, die die Beine koordinieren, von bestehenden Modellen unterscheiden.

Viele weitere Erkenntnisse aus dem MANC werden entstehen, wenn andere Forscher beginnen, die Daten zu untersuchen, auf die über neuPrint und Clio, die bei Janelia entwickelten Online-Tools, zugegriffen werden kann.

„Es ist klar, dass diese Konnektome so umfangreich sind und dass sie eigentlich nur der Ausgangspunkt für den Versuch sind zu verstehen, wie dieses System funktioniert“, sagt Card. „Es wird die gesamte Gemeinschaft erfordern, sich zu vertiefen, um die Breite der verschiedenen Verhaltensweisen zu erfassen, die Menschen in unterschiedlichen Kontexten untersuchen, um dieses Netzwerk zu erforschen. Auf diese Weise werden wir die höheren Prinzipien herausarbeiten.“

Neben den zu gewinnenden wissenschaftlichen Erkenntnissen dient das Projekt auch als Modell für andere Gruppen, die Connectome-Bemühungen durchführen.

„Diese Art der Zusammenarbeit wird absolut notwendig sein, wenn Menschen anfangen, auf das Maus-Connectome und ähnliches umzusteigen“, sagt Lou Scheffer, leitender Wissenschaftler bei Janelia und Mitglied des FlyEM-Teams.

„Es ist nicht vorstellbar, dass eine einzelne Organisation dies schaffen könnte, und daher ist dies ein Prototyp für diese Art der Zusammenarbeit.“

Datensätze: https://www.janelia.org/project-team/flyem/manc-connectome

Autor:Gwyneth-KarteQuelle:Janelia ForschungscampusKontakt:Gwyneth Card – Janelia ForschungscampusBild: Das obere Bild stammt von Neuroscience News. Das Bild des Artikels stammt von FlyEM/Janelia Research Campus

Ursprüngliche Forschung: Geschlossener Zugang. „A Connectome of the Male Drosophila Ventral Nerve Cord“ von Shin-ya Takemura et al. bioRXiv

Geschlossener Zugang. „Systematische Annotation eines vollständigen Konnektoms des Nervenstrangs einer erwachsenen männlichen Drosophila enthüllt Prinzipien der funktionellen Organisation“ von Elizabeth C. Marin et al. bioRXiv

Abstrakt

Ein Konnektom des ventralen Nervenstrangs der männlichen Drosophila

Das Verhalten von Tieren wird hauptsächlich durch die neuronale Kontrolle der Muskeln ausgedrückt. Um zu verstehen, wie das Gehirn das Verhalten steuert, müssen neuronale Schaltkreise bis hin zu Motoneuronen abgebildet werden.

Wir haben bereits eine Technologie entwickelt, um großvolumige elektronenmikroskopische Datensätze von Nervengewebe zu sammeln und die Morphologie der Neuronen und ihre chemischen synaptischen Verbindungen im gesamten Volumen vollständig zu rekonstruieren. Mit diesen Werkzeugen haben wir ein dichtes Verdrahtungsdiagramm oder Konnektom für einen großen Teil des Zentralhirns von Drosophila erstellt.

Bei den meisten Tieren, einschließlich der Fliege, befinden sich die meisten Motoneuronen jedoch außerhalb des Gehirns in einem neuronalen Zentrum näher am Körper, dh im Rückenmark von Säugetieren oder im ventralen Nervenstrang (VNC) von Insekten.

In diesem Artikel erweitern wir unsere Bemühungen, vollständige neuronale Schaltkreise für das Verhalten abzubilden, indem wir ein Konnektom des VNC einer männlichen Fliege generieren.

Abstrakt

Die systematische Annotation eines vollständigen Nervenstrangkonnektoms einer erwachsenen männlichen Drosophila enthüllt Prinzipien der funktionellen Organisation

Unser Begleitpapier (Takemura et al., 2023) stellt das erste vollständig Korrektur gelesene Konnektom des Nervenstrangs eines Tieres vor, das laufen oder fliegen kann. Das Basiskonnektom besteht aus neuronalen Morphologien und den Verbindungen zwischen ihnen.

Um dieses Konnektom jedoch effizient zu navigieren und zu verstehen, ist es von entscheidender Bedeutung, über ein Anmerkungssystem zu verfügen, das Neuronen systematisch kategorisiert und benennt und sie mit der vorhandenen Literatur verknüpft.

In diesem Artikel beschreiben wir die umfassende Annotation des VNC-Konnektoms, zunächst durch ein System hierarchischer grober Annotationen, dann durch Gruppierung links-rechts und seriell homologer Neuronen und schließlich durch die Definition systematischer Zelltypen für die intrinsischen Interneuronen und sensorischen Neuronen des VNC; absteigende und motorische Neuronen werden typisiert (Cheong et al., 2023).

Wir weisen über 5000 sensorischen Neuronen eine sensorische Modalität zu, gruppieren sie nach Konnektivität und identifizieren seriell homologe Zelltypen und eine geschichtete Organisation, die wahrscheinlich der peripheren Topographie entspricht. Wir identifizieren den Entwicklungsneuroblast, der den Ursprung der großen Mehrheit der VNC-Neuronen hat, und bestätigen, dass (in den meisten Fällen) alle sekundären Neuronen jeder Halblinie einen einzelnen Neurotransmitter exprimieren.

Neuroblasten-Hemilinien werden seriell entlang der Segmente des Nervenstrangs wiederholt und weisen im Allgemeinen eine konsistente Konnektivität von Hemilinie zu Hemilinie über Neuromere hinweg auf, was die Idee unterstützt, dass Hemilinien ein wichtiges Organisationsmerkmal des VNC sind.

Wir stellen außerdem fest, dass mehr als ein Drittel der einzelnen Neuronen zu seriell homologen Zelltypen gehören, die für die Identifizierung von Motoneuronen und sensorischen Neuronen in den Beinneuropils von entscheidender Bedeutung waren. Die Kategorisierung von Interneuronen anhand ihrer Neuropil-Innervationsmuster bietet eine zusätzliche Organisationsachse.

Über die Hälfte der intrinsischen Neuronen des VNC scheinen den Beinen gewidmet zu sein, wobei die Mehrheit auf einzelne Beinneuronen beschränkt ist; Im Gegensatz dazu scheinen hemmende Interneurone, die verschiedene Neuropils der Beine verbinden, insbesondere solche, die die Mittellinie überqueren, seltener zu sein als von Standardmodellen der Bewegungsschaltkreise erwartet.

Unsere Anmerkungen werden als Teil der Webanwendung neuprint.janelia.org veröffentlicht und dienen auch als Grundlage für die programmatische Analyse des Konnektoms durch spezielle Tools, die wir in diesem Artikel beschreiben.

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