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Investigadores publican el conectoma del cordón nervioso de la mosca de la fruta más detallado

Apr 18, 2023

Resumen:Los investigadores dieron a conocer el conectoma más completo del cordón nervioso de la mosca de la fruta adulta, análogo a la médula espinal humana, lo que proporciona un recurso excepcional para la comunidad científica.

El conectoma, construido a partir de unas 23.000 neuronas, revela la intrincada red que controla las funciones motoras de la mosca. Ya han surgido nuevos conocimientos a partir de los datos, que desafían las teorías anteriores sobre el movimiento de las moscas.

Este logro no solo avanza en la comprensión de la neurología de la mosca de la fruta, sino que también sirve como modelo para proyectos futuros similares.

Hechos clave:

Fuente:Campus de Investigación Janelia

Ya este año, los investigadores han publicado un diagrama de cableado del cerebro larval de la mosca de la fruta. Se esperan conectomas del cerebro y el lóbulo óptico de la mosca adulta completa para 2023, y pronto seguirá el conectoma del sistema nervioso de la mosca macho completo.

El 6 de junio, los científicos y colaboradores de Janelia en los EE. UU. y el Reino Unido agregaron otra pieza al rompecabezas del conectoma con la revelación del diagrama de cableado del cordón nervioso masculino adulto, denominado MANC.

El conectoma, un esfuerzo conjunto del equipo del proyecto FlyEM de Janelia y sus colaboradores, se detalla en preprints en bioRxiv y está disponible gratuitamente para investigadores de todo el mundo a través de los sitios web de Janelia.

Con alrededor de 23 000 neuronas, 10 millones de sitios presinápticos y 74 millones de densidades postsinápticas, el MANC es el conectoma más profundo y completo del cordón nervioso de una mosca de la fruta adulta, una estructura análoga a la médula espinal humana que controla la mayoría de las funciones motoras de la mosca.

El detalle sin precedentes en este mapa de neuronas y sus conexiones ayudará a los científicos a descubrir cómo una mosca mueve sus patas o bate sus alas.

Si las 23.000 neuronas que componen el conectoma MANC se colocaran de extremo a extremo, se extenderían unos 44 metros.

Los preprints publicados junto con los datos del conectoma describen los diferentes tipos de células, sus orígenes y conexiones, y los conocimientos biológicos que comienzan a surgir de los datos. La mosca de la fruta es un organismo clave que los neurocientíficos utilizan para investigar cómo funciona el sistema nervioso, por lo que tener conectomas es fundamental para descubrir cómo las células trabajan juntas para permitir el comportamiento.

"Una vez que puede ver una red completa, puede comenzar a hacer preguntas importantes sobre la organización", dice Gwyneth Card, investigadora del HHMI en el Instituto Zuckerman de la Universidad de Columbia y exlíder del grupo Janelia, quien ayudó a dirigir el proyecto.

El MANC y los otros conectomas que se están lanzando siguen los pasos del conectoma hemibrain lanzado por los científicos de Janelia en 2020. En ese momento, el hemibrain, una parte del cerebro de la mosca adulta, era el diagrama de cableado más grande y completo jamás completado, que muestra que se podía hacer una hazaña que muchos creían imposible.

La liberación del hemicerebro generó más apoyo e interés en los esfuerzos del conectoma. Los investigadores ahora están completando las piezas que faltan en el hemicerebro, y el objetivo de mapear todo el sistema nervioso central de una mosca de la fruta adulta, tanto macho como hembra, está al alcance de la mano.

"Este tren va a seguir rodando", dice Card. "Estás viendo el principio".

El conectoma MANC se construyó usando métodos similares a los que se usan para mapear el hemicerebro, con el equipo de Janelia preparando la muestra del cordón nervioso y tomando imágenes capa tras capa de rebanadas de nanómetros de espesor en microscopios electrónicos de barrido de haz de iones enfocados. Los algoritmos y las computadoras de Google unieron las imágenes e hicieron un primer paso para identificar las neuronas.

Luego, un equipo de Janelians y colaboradores se dispusieron a revisar los datos, un esfuerzo manual para garantizar que la forma y la conectividad de las neuronas sean correctas, y una de las partes del proceso que consume más tiempo. Debido a la pandemia de COVID-19, el equipo desarrolló un software para trabajar en computadoras domésticas. Eso, junto con la financiación adicional de Wellcome Trust, significó que los colaboradores internacionales pudieran ayudar más fácilmente con el esfuerzo.

"Dado que se ha corregido por completo y podemos encontrar las mismas neuronas a la izquierda y a la derecha de la marcha, podemos decirles a los colegas: 'Pueden confiar en esto'", dice Greg Jefferis, neurocientífico del Laboratorio de Biología Molecular y Universidad MRC. de Cambridge y otro líder de proyecto que forma parte del Comité Directivo del Equipo del Proyecto FlyEM.

Los investigadores de Cambridge también identificaron los diferentes tipos de células, dónde se encuentran a lo largo del cuerpo de la mosca y de qué células madre se originaron, lo que ayudó a desentrañar algunos de los principios organizativos.

"El cordón nervioso ventral se ha visto básicamente como una caja negra", dice Lisa Marin, investigadora asociada de la Universidad de Cambridge que dirigió el esfuerzo de tipificación de células.

"La gran mayoría de las neuronas nunca han sido identificadas. Así que una gran parte de nuestro proceso fue dividirlas en poblaciones más pequeñas y luego profundizar en la conectividad".

El examen de los datos del conectoma ya ha comenzado a descubrir algunas sorpresas. Card y su equipo encontraron que algunos comportamientos que involucran los mismos músculos usan microcircuitos premotores distintos, no los mismos circuitos, como se pensaba anteriormente.

Jefferis y su equipo describieron los complejos circuitos repetidos que controlan las piernas y descubrieron, sorprendentemente, que las interconexiones que coordinan las piernas difieren de los modelos existentes.

Se obtendrán muchos más conocimientos del MANC a medida que otros investigadores comiencen a probar los datos, a los que se puede acceder a través de neuPrint y Clio, herramientas en línea desarrolladas en Janelia.

"Está claro que estos conectomas son muy ricos y que en realidad son solo el punto de partida para tratar de entender cómo funciona este sistema", dice Card. "Hará falta que toda la comunidad profundice para obtener la amplitud de los diferentes comportamientos que las personas estudian en diferentes contextos, para sondear esta red. Así es como vamos a desentrañar los principios superiores".

Junto con los conocimientos científicos que se obtendrán, el proyecto también sirve como modelo para otros grupos que realizan esfuerzos de conexión.

"Este tipo de cooperación va a ser absolutamente necesaria cuando la gente empiece a pasarse al conectoma del ratón y cosas así", dice Lou Scheffer, científico principal de Janelia y miembro del equipo FlyEM.

"No hay forma concebible de que una sola organización pueda hacerlo, por lo que este es un prototipo para ese tipo de cooperación".

Conjuntos de datos: https://www.janelia.org/project-team/flyem/manc-connectome

Autor:Tarjeta GwynethFuente:Campus de Investigación JaneliaContacto:Tarjeta Gwyneth – Campus de Investigación JaneliaImagen: La imagen superior se atribuye a Neuroscience News. La imagen del artículo se atribuye a FlyEM/Janelia Research Campus

Investigacion original: Acceso cerrado. "Un conectoma del cordón nervioso ventral masculino de Drosophila" por Shin-ya Takemura et al. bioRXiv

Acceso cerrado. "La anotación sistemática de un conectoma del cordón nervioso masculino adulto completo de Drosophila revela principios de organización funcional" por Elizabeth C. Marin et al. bioRXiv

Abstracto

Un conectoma del cordón nervioso ventral masculino de Drosophila

El comportamiento animal se expresa principalmente a través del control neural de los músculos. Por lo tanto, comprender cómo el cerebro controla el comportamiento requiere mapear los circuitos neuronales hasta llegar a las neuronas motoras.

Hemos establecido previamente tecnología para recopilar conjuntos de datos de microscopía electrónica de gran volumen de tejido neural y reconstruir completamente la morfología de las neuronas y sus conexiones sinápticas químicas en todo el volumen. Usando estas herramientas, generamos un diagrama de cableado denso, o conectoma, para una gran parte del cerebro central de Drosophila.

Sin embargo, en la mayoría de los animales, incluida la mosca, la mayoría de las neuronas motoras están ubicadas fuera del cerebro en un centro neural más cercano al cuerpo, es decir, la médula espinal de los mamíferos o el cordón nervioso ventral (VNC) de los insectos.

En este documento, ampliamos nuestro esfuerzo para mapear circuitos neuronales completos para el comportamiento generando un conectoma del VNC de una mosca macho.

Abstracto

La anotación sistemática de un conectoma completo del cordón nervioso de Drosophila macho adulto revela principios de organización funcional

Nuestro artículo complementario (Takemura et al., 2023) presenta el primer conectoma completamente corregido del cordón nervioso de un animal que puede caminar o volar. El conectoma base consta de morfologías neuronales y las conexiones entre ellas.

Sin embargo, para navegar y comprender de manera eficiente este conectoma, es fundamental contar con un sistema de anotaciones que clasifique y nombre sistemáticamente las neuronas, vinculándolas a la literatura existente.

En este artículo, describimos la anotación integral del conectoma VNC, primero mediante un sistema de anotaciones gruesas jerárquicas, luego agrupando neuronas homólogas en serie e izquierda-derecha y, finalmente, definiendo tipos de células sistemáticas para las interneuronas intrínsecas y las neuronas sensoriales del VNC; se escriben las neuronas descendentes y motoras (Cheong et al., 2023).

Asignamos una modalidad sensorial a más de 5000 neuronas sensoriales, las agrupamos por conectividad e identificamos tipos de células homólogas en serie y una organización en capas que probablemente corresponda a la topografía periférica. Identificamos el neuroblasto de desarrollo de origen de la gran mayoría de las neuronas VNC y confirmamos que (en la mayoría de los casos) todas las neuronas secundarias de cada hemilinaje expresan un solo neurotransmisor.

Los hemilinajes de neuroblastos se repiten en serie a lo largo de los segmentos del cordón nervioso y generalmente exhiben una conectividad consistente de hemilinaje a hemilinaje a través de los neurómeros, lo que respalda la idea de que los hemilinajes son una característica organizativa importante del VNC.

También encontramos que más de un tercio de las neuronas individuales pertenecen a tipos de células homólogas en serie, que fueron cruciales para identificar las neuronas motoras y las neuronas sensoriales en los neurópilos de las piernas. La categorización de las interneuronas por sus patrones de inervación del neuropilo proporciona un eje de organización adicional.

Más de la mitad de las neuronas intrínsecas del VNC parecen estar dedicadas a las piernas, con la mayoría restringida a neuropilos de una sola pierna; por el contrario, las interneuronas inhibitorias que conectan diferentes neuropilos de las piernas, especialmente las que cruzan la línea media, parecen más raras de lo previsto por los modelos estándar de circuitos locomotores.

Nuestras anotaciones se publican como parte de la aplicación web neuprint.janelia.org y también sirven como base del análisis programático del conectoma a través de herramientas dedicadas que describimos en este documento.

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