Pourquoi les scientifiques ont-ils passé des années à cartographier le cerveau de cette créature ?

La taille du cerveau d’une mouche des fruits a la taille d’une graine de pavot et est facile à ignorer.

« Je pense que la plupart des gens ne pensent même pas que la mouche a un cerveau », a déclaré Vivek Jayaraman, neuroscientifique au Janelia Research Campus du Howard Hughes Medical Institute en Virginie. « Mais, bien sûr, les mouches vivent des vies très riches. »

Les mouches sont capables de comportements complexes, y compris la navigation dans des paysages divers, Lutte avec les concurrents Chanter des potes potentiels. Et leurs cerveaux de la taille d’un spot sont très complexes, contenant environ 100 000 neurones et Des dizaines de millions de connexions ou de synapses entre eux.

Depuis 2014, une équipe de scientifiques de Janelia a collaboré avec Chercheurs de Google, a cartographié ces neurones et synapses dans le but de créer un schéma de câblage complet, également connu sous le nom de réseau de neurones, du cerveau de la drosophile.

Le travail, qui est continu, prend du temps et coûte cher, même à l’aide d’algorithmes modernes d’apprentissage automatique. Mais les données publiées jusqu’à présent sont étonnantes dans leur détail, formant un atlas de dizaines de milliers de neurones épineux dans de nombreuses régions cruciales du cerveau de la mouche.

et maintenant, Dans une nouvelle feuille massiveLes neuroscientifiques, publiés mardi dans la revue eLife, commencent à montrer ce qu’ils peuvent en faire.

En analysant le réseau neuronal d’une petite partie seulement du cerveau d’une mouche – le complexe central, qui joue un rôle important dans la navigation – le Dr Gyaraman et ses collègues ont identifié des dizaines de nouveaux types de neurones et de circuits neuronaux spécifiques qui semblent aider les mouches à faire leur chemin à travers le monde. Le travail pourrait éventuellement aider à comprendre comment toutes sortes de cerveaux d’animaux, le nôtre inclus, traitent un flot d’informations sensorielles et les traduisent en actions appropriées.

C’est également une preuve de principe pour le nouveau domaine des connexions neuronales modernes, fondée sur la promesse que la création de schémas de câblage cérébraux détaillés produira des gains scientifiques.

« C’est vraiment inhabituel », a déclaré le Dr Clay Reed, chercheur principal à l’Institut Allen pour les sciences du cerveau à Seattle, à propos du nouvel article. « Je pense que quiconque le regarde dirait que les synapses sont un outil dont nous avons besoin en neurosciences – un arrêt complet. »

« Votre esprit s’envole est cuit »

Le seul réseau neuronal complet du règne animal appartient à l’humble ver rond, C. elegans. Le biologiste pionnier Sidney Brenner, qui a ensuite remporté un prix Nobel, a lancé le projet dans les années 1960. Sa petite équipe a passé des années dessus, utilisant des crayons de couleur pour tracer les 302 neurones à la main.

« Brenner s’est rendu compte que pour comprendre le système nerveux, il faut connaître sa structure », a déclaré Scott Emmons, neuroscientifique et généticien à l’Albert Einstein College of Medicine. Créer un nouveau réseau de neurones C. elegans. C’est vrai dans toute la biologie. La structure est très importante.

Brenner et al leur papier historique, qui a été enregistré sur 340 pages, en 1986.

Mais le domaine des connexions neuronales modernes n’a décollé que dans les années 2000, lorsque les progrès de l’imagerie et de l’informatique ont finalement permis d’identifier des connexions dans des cerveaux plus gros. Ces dernières années, des équipes de recherche du monde entier ont commencé à reconstituer les réseaux neuronaux du poisson zèbre, des oiseaux chanteurs, des souris, des humains, etc.

Lors de l’ouverture du Janelia Research Campus en 2006, Gerald Rubin, son directeur fondateur, a jeté son dévolu sur la mouche des fruits. « Je ne veux offenser aucun de mes compagnons vers, mais je pense que les mouches sont le cerveau le plus simple qui a un comportement intéressant et complexe », a déclaré le Dr Rubin.

Plusieurs équipes différentes de Janelia se sont lancées dans des projets de réseau de communications aéronautiques au cours des années suivantes, mais le travail qui a conduit au nouveau document a commencé en 2014, avec Le cerveau d’une mouche des fruits femelle de cinq jours.

Les chercheurs ont découpé le cerveau d’une mouche en plaques, puis ont utilisé une technique connue sous le nom de microscopie électronique à faisceau d’ions focalisés pour les imager, couche par couche. Le microscope fonctionnait essentiellement comme une très petite lime à ongles très précise, retirant une très fine couche du cerveau, prenant une photo du tissu exposé, puis répétant le processus jusqu’à ce qu’il ne reste plus rien.

« Vous visualisez et coupez simultanément de petits segments du cerveau de la mouche, de sorte qu’ils ne sont pas là une fois que vous avez terminé », a déclaré le Dr Jayaraman. « Donc, si quelque chose ne va pas, vous avez terminé. L’oie est cuite – ou votre cerveau de mouche est cuit. « 

L’équipe a ensuite utilisé un logiciel de vision par ordinateur pour assembler les millions d’images résultantes dans un seul dossier 3D et les envoyer à Google. Là, les chercheurs ont utilisé des algorithmes avancés d’apprentissage automatique pour identifier chaque neurone individuel et suivre ses branches de torsion.

Enfin, l’équipe de Janelia a utilisé des outils de calcul supplémentaires pour identifier les synapses, et les chercheurs humains ont examiné le travail des ordinateurs, corrigé les erreurs et révisé les schémas de câblage.

L’année dernière, des chercheurs propagation du réseau de neurones N.-É. ce qu’ils appelaient « hemibrain », Une grande partie du cerveau de la mouche centrale, qui comprend des zones et des structures essentielles au sommeil, à l’apprentissage et à la navigation.

Le système nerveux, qui est librement accessible en ligne, comprend environ 25 000 neurones et 20 millions de synapses, ce qui est beaucoup plus que C. elegans.

« C’est une augmentation massive », a déclaré Corey Bargman, neuroscientifique à l’Université Rockefeller de New York. « C’est un grand pas vers l’objectif de travailler sur la connectivité cérébrale. »

Bienvenue au guide

Une fois le réseau neuronal du cerveau prêt, le Dr Gyaraman, un expert en neurosciences de la navigation des mouches, était impatient de se plonger dans les données du pool central.

La région du cerveau, qui contient environ 3 000 neurones et se trouve dans tous les insectes, aide les mouches à construire un modèle interne de leur relation spatiale avec le monde, puis à choisir et à mettre en œuvre des comportements adaptés à leur situation, comme chercher de la nourriture lorsqu’elles ont faim.

« Vous me dites que vous pouvez me donner le schéma de câblage pour quelque chose comme ça ? » dit le Dr Jayaraman. « C’est un meilleur espionnage industriel que ce que vous pouvez obtenir en obtenant des informations sur l’iPhone d’Apple. »

Lui et ses collègues ont scruté les données du réseau de neurones, étudiant comment les circuits de neurones de la région étaient regroupés.

Par exemple, Hannah Haberkern, stagiaire postdoctorale dans le laboratoire du Dr Jayaraman, a analysé les neurones qui envoient des informations sensorielles à l’ellipsoïde, une structure circulaire en forme de gâteau qui agit comme un Boussole d’intérieur.

Le Dr Haberkern a découvert que les neurones connus pour transmettre des informations sur la polarisation de la lumière – un guide écologique universel que de nombreux animaux utilisent pour la navigation – établissent plus de connexions avec les neurones de la boussole qu’avec les neurones qui transmettent des informations sur d’autres cellules. Repères visuels et repères.

Les neurones dédiés à la polarisation de la lumière se connectent également aux cellules du cerveau qui fournissent des informations sur d’autres signaux de navigation – et sont capables de les inhiber sévèrement.

Les chercheurs émettent l’hypothèse que les cerveaux des mouches peuvent être câblés pour donner la priorité aux informations sur l’environnement mondial en déplacement, mais aussi que ces circuits sont flexibles, de sorte que lorsque ces informations sont insuffisantes, ils peuvent prêter plus d’attention aux caractéristiques locales du paysage. « Ils ont toutes ces stratégies de sauvegarde », a déclaré le Dr Haberkern.

Téléphone à domicile contre les mouches des fruits

D’autres membres de l’équipe de recherche ont identifié des voies neuronales spécifiques qui semblent bien adaptées pour aider la mouche à suivre la direction de sa tête et de son corps, à prédire sa direction future et sa direction de déplacement, à calculer sa direction actuelle par rapport à un autre emplacement souhaité, puis à se déplacer dans cette direction.

Imaginez, par exemple, qu’une mouche affamée renonce temporairement à une banane pourrie pour voir si elle pourrait mieux souffler quelque chose. Mais après quelques minutes d’exploration infructueuse (littéralement), elle veut revenir à son repas précédent.

Les données du réseau neuronal suggèrent que certaines cellules du cerveau, connues techniquement sous le nom de neurones PFL3, aident la mouche à effectuer cette manœuvre. Ces neurones reçoivent deux entrées importantes : ils reçoivent des signaux de neurones qui suivent la direction à laquelle la mouche fait face et également de neurones qui pourraient surveiller la direction de la banane.

Après avoir reçu ces signaux, les neurones PFL3 envoient leur propre message à un groupe de neurones qui incitent la mouche à virer dans la bonne direction. Le dîner est à nouveau servi.

« La capacité de retracer cette activité à travers ce circuit – des sens au moteur en passant par ce circuit intermédiaire complexe – est vraiment incroyable », a déclaré Brad Hulse, chercheur dans le laboratoire du Dr Jayaraman qui a dirigé cette partie de l’analyse. Le réseau de neurones, a-t-il ajouté, « nous a montré bien plus que nous ne le pensions ».

Le document de collection – qui comprend un brouillon de 75 figures et s’étend sur 360 pages – n’est qu’un début.

« Cela offre vraiment ce fait clé pour explorer davantage cette région du cerveau », a déclaré Stanley Heinz, expert en neurosciences des insectes à l’Université de Lund en Suède. « C’est très impressionnant. »

Et juste formidable. « Je ne le traiterais pas comme un document de recherche, mais plutôt comme un livre », a déclaré le Dr Heinz.

En fait, le papier est si gros que le serveur de prépresse bioRxiv Au début, ils ont refusé de le publier, probablement parce que les fonctionnaires – pour des raisons compréhensibles – pensaient que c’était vraiment livre, a déclaré le Dr Jayaraman. (Le serveur a finalement indiqué que l’étude avait été publiée, après quelques jours supplémentaires de traitement.)

Le Dr Jayaraman a ajouté que la publication du document dans eLife « nécessite des autorisations spéciales et une communication avec le comité de rédaction ».

Cours de pilotage

Il y a des limites à ce qu’un instantané d’un seul cerveau peut révéler à un moment donné, et les réseaux de neurones ne capturent pas tout ce qui est intéressant dans le cerveau d’un animal. (Par exemple, le réseau neuronal de Janelia omet les cellules gliales, qui effectuent toutes sortes de tâches importantes dans le cerveau.)

Le Dr Jayaraman et ses collègues ont affirmé qu’ils n’auraient pas été en mesure de déduire grand-chose du réseau neuronal sans des décennies de recherches antérieures, menées par de nombreux autres scientifiques, sur le comportement des mouches des fruits et la physiologie et la fonction neuronales de base, ainsi que les neurosciences théoriques. travail.

Mais les schémas de câblage peuvent aider les chercheurs à étudier les théories existantes et à formuler de meilleures hypothèses, en décidant quelles questions poser et quelles expériences effectuer.

« Maintenant, ce qui nous enthousiasme vraiment, c’est de prendre ces idées inspirées par le réseau de neurones et de revenir au microscope, de retourner à nos électrodes et d’enregistrer le cerveau et de voir si ces idées sont vraies », a déclaré le Dr Hulse. .

Bien sûr, on pourrait – et certains se sont demandé – pourquoi les circuits du cerveau de la drosophile sont si importants.

« On me pose beaucoup de questions à ce sujet pendant les vacances », a déclaré le Dr Hulse.

Les mouches ne sont pas des souris, des chimpanzés ou des humains, mais leur cerveau effectue certaines des mêmes tâches de base.. Comprendre les circuits neuronaux de base d’un insecte pourrait fournir des indices importants sur la façon dont le cerveau d’autres animaux traite des problèmes similaires, a déclaré David Van Essen, neuroscientifique à l’Université de Washington à St. Louis.

Acquérir une compréhension approfondie du cerveau des mouches, a-t-il déclaré, « nous donne également des informations très pertinentes pour comprendre les cerveaux des mammifères, et même des humains, et leur comportement ».

Créer des réseaux pour des cerveaux plus gros et plus complexes sera très difficile. Le cerveau de la souris contient environ 70 millions de neurones, tandis que le cerveau humain a un volume de 86 milliards.

Mais la feuille centrale complexe n’est certainement pas seule ; Actuellement, des études détaillées sur les réseaux neuronaux de souris et humains régionaux sont en cours, a déclaré le Dr Reed: « Il y a beaucoup plus à venir. »

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