Vedci dosiahli významný míľnik. Zmapovali mozog vínnej mušky

Text vyšiel pôvodne v denníku The Washington Post.

Stovky vedcov z celého sveta zmapovali viac ako 50 miliónov spojení v malom mozgu vínnej mušky. Ide o významný krok, vďaka ktorému by mohla jedného dňa vzniknúť aj zložitá mapa ľudského mozgu – pomohla by pochopiť a potenciálne liečiť mnohé zdravotné stavy, ako sú napríklad Parkinsonova choroba, nadmerné jedenie, depresia alebo užívanie návykových látok.

Tento vedecký míľnik, ktorý je doteraz najpodrobnejším prieskumom mozgu dospelého živočícha, ukazuje mechanizmy, ktoré sa podieľajú na tom, ako vínna muška vníma a reaguje na dojmy zo sveta prostredníctvom zraku, čuchu a iných zmyslov.

Akokoľvek skromné sa vínne mušky môžu zdať, vyvíjali sa desiatky miliónov rokov a vykonávajú množstvo zložitých činností pomocou malého mozgu veľkosti makového zrnka, vysvetlil John Ngai, ktorý riadi iniciatívu BRAIN National Institutes of Health, zodpovednú za novú mapu opísanú tento týždeň v deviatich prácach uverejnených v časopise Nature.

„Konzumujú potravu; navigujú sa smerom k čuchovým signálom; a vykazujú veľmi sofistikované sociálne správanie, napríklad v rámci párenia,“ povedal Ngai s tým, že k tomu všetkému ešte dokážu aj lietať. Vínne mušky vidia aj ultrafialové svetlo, ktoré ľudské oko nevidí.

Podobná logika

Projekt BRAIN, ktorý sa začal pred desiatimi rokmi a je za ním investícia viac ako 3,5 miliardy dolárov, smeruje k praktickému cieľu rozšíriť poznatky o nervovom systéme a urýchliť objavovanie liekov na jeho poruchy. Podľa nedávnej ��túdie viac ako 40 percent ľudí trpí nejakou poruchou nervového systému.

Vínne mušky sú popri hlístach a myšiach jedným z najpopulárnej��ích modelových organizmov, ktoré sa používajú na pochopenie niektorých základných systémov, ktoré riadia život na našej planéte. Akokoľvek sú tieto organizmy odlišné, majú veľa rovnakých génov. Takmer 75 percent génov, ktoré sa podieľajú na ľudských chorobách, sa nachádza aj u vínnych mušiek. Myši majú s ľuďmi podobné približne 97,5 percenta DNA.

Hoci existujú obrovské rozdiely medzi počtom nervových buniek alebo neurónov, ktoré majú rôzne druhy, logika alebo „zdrojový kód“, ktorý funguje pri komunikácii a vzájomnej interakcii neurónov, je podobný, povedal Ngai.

Súvisiaci článok Súvisiaci článok Síce majú malý mozog, ale dokážu s ním veľa. Ako nájdu vínne mušky hnijúci banán? Čítajte 

Sebastian Seung, profesor počítačovej neurovedy na Princetonskej univerzite, povedal, že novú mapu budú pravdepodobne konzultovať vedci, ktorí sa snažia odpovedať na prakticky akúkoľvek otázku o fungovaní a architektúre mozgu vínnej mušky. Výskumníci budú môcť skúmať rozdiely v mozgu medzi samčekmi a samičkami vínnych mušiek, dospelými a mladými, zdravými a chorými.

„Ľudia sa jednoducho snažia pochopiť, ako vínne mušky vidia, ako počujú, ako spievajú – áno, v skutočnosti spievajú - ako lietajú,“ povedal Seung a uviedol príklady využitia mapy. „A ľudia tiež skúmajú aj ich komplexné správanie, [napríklad] pri dvorení.“ Vínnym muškám sa tiež ukladajú spomienky.

Seung povedal, že mapa tiež pomôže vedcom preniknúť do otázok, ako gény súvisia s funkciou mozgu a ako ovplyvňujú zapojenie mozgu počas vývoja.

Ako v miske špagiet

Všetky tieto výskumy sú podľa Seunga založené na konektóme. Konektóm je termín, ktorý sa používa pre mapu viac ako 50 miliónov mozgových spojení u vínnej mušky, čo je úloha, ktorá predstavovala náročnú technickú výzvu.

„Priznám sa, že v posledných rokoch som hraničil s niečím, čo nazývam neuronihilizmus. Mal som pocit, akoby sme to nikdy nemali byť schopní pochopiť,“ povedal Davi Bock, spoluautor jedného z článkov v časopise Nature a docent na Larnerovej lekárskej fakulte Vermontskej univerzity.

Mozog vínnej mušky obsahuje zhruba 150 metrov mozgových spojení v priestore približne trištvrte milimetra krát štvrť milimetra. Podľa Bocka je fantasticky kompaktný. „Časti vychádzajúce z týchto neurónov majú bežne priemer 50 až 100 nanometrov a sú do seba zamotané ako v miske špagiet.“ Ľudský vlas je široký približne 80-tisíc až 100-tisíc nanometrov.

Špagety sa skutočne podarilo rozpliesť a - trochu na Bockovo prekvapenie - bolo možné začať chápať aj samotnú schému prepojenia. Vedci to urobili tak, že starostlivo odstránili mozog vínnej mušky. Pomocou niekoľkých procesov ho následne zmenili na pevný blok, ktorý pomocou diamantových nožov rozrezali na viac ako sedemtisíc ultratenkých rezov.

Súvisiaci článok Súvisiaci článok Biologička: Aj muchy môžu byť obézne. Skúmame na nich choroby, ktoré trápia ľudí Čítajte 

Vedci si rezy prezreli pod vysokorýchlostným elektrónovým mikroskopom a urobili 21 miliónov snímok. Každý pixel na snímke predstavoval úsek mozgového tkaniva s rozmermi približne 4 x 4 x 40 nanometrov.

„Keď sa nad tým zamyslíte, je to smiešne rozlíšenie, ale potrebujete ho na sledovanie týchto častí,“ povedal Bock.

Bock a jeho kolegovia potom určili špecifické typy buniek neurónov, ktoré tvoria schému prepojenia. Vínne mušky majú tisíce rôznych typov neurónov.

Ďalšia skupina vedcov pracovala na konverzii obrázkov vytvorených Bockovým tímom pomocou najmodernejších segmentačných algoritmov do podoby, ktorá im umožnila vytiahnuť časti neurónov. Všetky kúsky korigovali dobrovoľní vedci a korigované časti sa potom zostavili do mapy.

Iniciatívu BRAIN financuje desať z 27 inštitútov a centier Národného inštitútu zdravia. Peniaze boli schválené americkým Kongresom ako súčasť zákona o liečbe 21. storočia, ktorý bol podpísaný v decembri 2016.