Ник Страусфельд и Линда Рестифо, оба профессора кафедры неврологии Университета Аризоны, работали с коллегами в Японии, которые руководили проектом, и коллегами из Германии и Великобритании, чтобы создать всеобъемлющий атлас нейроанатомических центров и вычислительных центров мозг насекомого. В процессе работы команда определила множество ранее неизвестных структур. Предоставляя исследовательскому сообществу единую систему терминологии, они закладывают основу для систематических усилий по выяснению структур и функций мозга, которые переносятся на функции человеческого мозга.Статья о работе публикуется в научном журнале Neuron; онлайн-версия включает 80-страничное дополнение с данными.
Данные будут общедоступны в течение 6 месяцев и будут включать сотни изображений и трехмерных видео-анимаций — бесценный ресурс, который позволит нейробиологам работать более эффективно, сравнивать свои результаты и получать более значимые интерпретации.«Эта работа обеспечивает трехмерную дорожную карту для описания структур мозга всех насекомых и позволяет проводить сравнения с другими членистоногими», — сказал Штраусфельд, директор Центра науки о насекомых UA. «Это имеет огромное значение для описания сетевых взаимоотношений между вычислительными центрами мозга».Проект своевременен, поскольку США и Европа приступили к реализации амбициозных инициатив — инициативы президента Барака Обамы BRAIN и проекта Европейского союза по человеческому мозгу — по созданию динамической картины мозга, которая показывает, как отдельные клетки и сложные нейронные цепи взаимодействуют во времени. и космос.В своих усилиях по разработке стратегий исследования внутренней работы человеческого мозга, вероятно, самой сложной структуры в Солнечной системе, ученые полагались на изучение мозга модельных организмов, таких как дрозофилы, потому что их структуры проще и легче изучать. эксперименты.
Членистоногие — насекомые, пауки, ракообразные и их родственники — провели продвинутые биомедицинские исследования, начиная от анатомических и молекулярных основ поведения до биохимических причин зависимости. Из-за их общей эволюционной истории глубоко во времени позвоночные животные, включая человека, вероятно, имеют много общих нейроанатомических особенностей и функциональных центров в головном мозге с беспозвоночными. Изучение неврологических процессов у членистоногих может существенно помочь нам понять, как работает весь мозг.
Например, процессы, ведущие к болезни Паркинсона, чрезвычайно трудно исследовать на людях, но исследования с участием плодовых мушек дали ценную информацию, которая может помочь неврологам разработать терапевтические стратегии.В результате этих совместных усилий по каталогизации и картированию мозга насекомых эта группа ученых обнаружила, что мозг плодовой мухи размером с булавочную головку имеет более 50 анатомически различных центров, сложность которых приближается к сложности, до сих пор распознаваемой только у таких животных, как рыба. или мышей.«Есть интересные параллели, — сказал Штраусфельд. «Распознавая отдельные центры в мозге насекомых, мы лучше поймем, как разработки мозга насекомых и позвоночных могут соотноситься друг с другом, несмотря на более чем 600 миллионов лет дивергентной эволюции».Например, обонятельные луковицы позвоночных очень похожи на обонятельные доли ракообразных.
То же самое и с визуальной системой: цвет, форма, движение и текстура одинаково обрабатываются у позвоночных и насекомых, хотя муха воспринимает очень разные аспекты визуального мира по сравнению с теми, которые воспринимаются обезьяной или человеком, объяснил Штраусфельд.
Исследование возглавил Кей Ито, доцент кафедры вычислительной биологии Токийского университета. Его группа использовала метод, называемый конфокальной флуоресцентной микроскопией, для создания виртуальных «срезов», раскрывающих архитектуру мозга плодовой мушки вплоть до отдельных клеток.Пять лет спустя и 1200 писем по электронной почте, проект теперь предоставляет нейробиологам те же термины для описания определенных частей мозга насекомых и ракообразных. «Мы устанавливаем новый стандарт, который действительно позволяет общаться», — согласились авторы UA.
«Теперь у нас есть очень подробное понимание распределения нейронов в дискретных центрах и связей между ними», — пояснил Штраусфельд.«Сложность поведения насекомых все чаще признается генетическим сообществом, что позволяет нам моделировать различные заболевания человека», — сказал Рестифо, который также является профессором неврологии Медицинского колледжа UA и членом Института UA BIO5.«Эти крошечные, но теперь четко определенные области, которые мы видим в мозге насекомых, вероятно, имеют определенные нейроны с определенными связями, управляющими определенным поведением, которое становится все более важным при изучении поведения, такого как агрессия или зависимость».
Рестифо объяснил, что сочетание расширенного поведенческого репертуара человека с наблюдаемым у насекомых является веским аргументом в пользу использования модельных организмов, таких как плодовая муха, дрозофила, в поисках новых лекарств.«В некотором смысле насекомые будут даже более полезными, чем модели грызунов», — сказала она. «В некоторых случаях попытки найти причину заболевания путем нарушения функции генов у мышей не дают ответов, потому что, хотя генетическая мутация совпадает с мутацией человеческого заболевания, физиологические эффекты — нет».Чтобы иметь смысл, любое исследование сложных нервных систем требует концепций и терминологии, единообразно согласованных с исследовательским сообществом.Нейробиологам давно известно, что анатомически различные области являются ключом к разгадке того, как устроен мозг, но разные термины использовались для обозначения одной и той же структуры у разных или даже внутри одного и того же вида. «На самом деле роза с любым другим названием больше похожа на Вавилонскую башню», — сказал Рестифо. «Произошла огромная путаница».
Штраусфельд, опубликовавший в 1976 году первый атлас мозга насекомых и, вместе с Ито и его коллегами в Германии, первый онлайн-атлас мозга дрозофилы Национального научного фонда, установил большую часть первоначальной номенклатуры. Центр науки о насекомых UA также сыграл важную роль в поддержке усилий, которые привели к публикации исследования.
Штраусфельд сказал, что важной движущей силой настоящего проекта была необходимость установить уместность конкретных терминов и названий для нейронных структур в мозге членистоногих.«Ничего подобного раньше не делалось», — сказал он. «Ученые, изучающие мозг и поведение птиц, пришли к согласованной номенклатуре, но мы пытались найти точки соприкосновения для многих видов, которые могут быть более отличными друг от друга с точки зрения эволюционного расхождения. задача заключалась в том, чтобы согласовать терминологию, которая «подходила бы» для всех насекомых и была применима к ракообразным ».«Разработка стандартизированной номенклатуры важна, потому что она способствует взаимному обогащению работы, выполняемой с использованием различных видов насекомых», — сказал Джеральд Рубин, вице-президент и исполнительный директор исследовательского кампуса Janelia Farm Медицинского института Говарда Хьюза. «Чтобы собрать все это вместе, потребовалась большая работа, научное понимание и исторические знания; это была настоящая услуга для области».