Un colectiv de cercetători, sprijiniți de inițiativa The BRAIN a Institutelor Naționale de Sănătate (NIH), a realizat un progres semnificativ în neurobiologie prin cartografierea completă a creierului muștei de fructe, Drosophila melanogaster. Acest studiu deschide noi perspective în înțelegerea modului în care funcționează circuitele cerebrale și cum acestea influențează comportamente complexe, de la controlul motor și decizii până la memorie și învățare.
Studiul, publicat în revista Nature sub titlul „Whole-brain annotation and multi-connectome cell typing of Drosophila,” a creat un „atlas consensual al tipurilor de celule”, o resursă detaliată pentru identificarea diverselor tipuri de celule din creierul muștei de fructe. Acest atlas poate facilita identificarea conexiunilor neuronale care controlează comportamente diverse și poate servi drept model pentru cercetarea creierului uman.
Creierul unei muște de fructe conține aproximativ 130.000 de neuroni, un număr infim în comparație cu cei 86 de miliarde de neuroni din creierul uman sau cei 100 de milioane din creierul unui șoarece. Cu toate acestea, structura complexă și funcțiile variate ale creierului muștei fac din aceasta un model valoros pentru cercetători. Baza de date utilizată pentru acest studiu, cunoscută sub numele de FAFB (Full Adult Fly Brain), se bazează pe imagistica de microscopie electronică și pe conexiunile sinaptice ale fiecărui neuron din creierul muștei pentru a clasifica toate tipurile de celule.
Dr. Davi Bock, profesor asociat în Științele Neurologice la Robert Larner, M.D. College of Medicine din cadrul Universității din Vermont, unul dintre cercetătorii principali ai studiului, afirmă: „Acest tip de muncă avansează într-un mod revoluționar, oferindu-ne posibilitatea de a cartografia formele și conexiunile fiecărui neuron din creierul unui animal destul de sofisticat, cum ar fi mușca adultă de fructe. Este un pas remarcabil în domeniul neuroștiințelor.”
Pentru a realiza o simulare digitală a funcționării creierului, este necesară cunoașterea atât a structurii acestuia, cât și a modului în care neuronii interacționează și se activează reciproc. Studiul oferă aceste informații critice și a fost deja utilizat de alți cercetători pentru a încerca să simuleze modul în care creierul muștei răspunde la stimuli externi.
Această cercetare, realizată de consorțiul FlyWire, folosește imagini electronice ale creierului generate anterior în laboratorul lui Bock pentru a crea o hartă detaliată a conexiunilor neuronale din întregul creier adult al unei muște de fructe. Această hartă include aproximativ 50 de milioane de sinapse chimice, între cei 139.255 de neuroni din creierul muștei. Harta neuronilor și a conexiunilor acestora oferă o perspectivă fără precedent asupra modului în care sunt procesate informațiile la nivel cerebral.
În plus, cercetătorii au adăugat informații despre tipurile de celule, nervii, liniile de dezvoltare și predicțiile privind neurotransmițătorii utilizați de neuroni. Instrumentul de analiză a datelor FlyWire Connectome Data Explorer, accesibil gratuit online, oferă cercetătorilor posibilitatea de a explora și analiza interactiv aceste date, încurajând astfel colaborarea științifică internațională.
Deși realizarea unei hărți complete a creierului uman rămâne un obiectiv dificil de atins cu tehnologia actuală, acest studiu reprezintă un pas important către cartografierea creierului unor specii mai complexe, precum șoarecii sau chiar oamenii. „Această muncă permite identificarea principiilor fundamentale ale procesării informațiilor la nivel neuronal, care pot fi apoi căutate și în creiere mai mari și mai complexe,” a subliniat Dr. Bock.
Rezultatele studiului au implicații majore pentru neuroștiințe, oferind noi perspective asupra modului în care creierul procesează informațiile și controlează comportamentele. În timp ce mușca de fructe are un creier mult mai simplu decât cel uman, există similitudini esențiale în modul în care circuitele neuronale din toate speciile procesează informațiile, iar acest model simplificat oferă un punct de plecare valoros pentru cercetarea viitoare.
Dr. John Ngai, directorul inițiativei The BRAIN, subliniază importanța acestui studiu pentru înțelegerea viitoare a funcționării creierului uman: „Acest pas important nu doar că le oferă cercetătorilor un nou set de instrumente pentru a înțelege cum circuitele cerebrale influențează comportamentul, ci servește și ca precursor pentru eforturile continue de a cartografia conexiunile creierelor mamiferelor și, în cele din urmă, ale oamenilor.”
Pe măsură ce tehnologia avansează, cercetătorii speră să poată extinde aceste descoperiri și asupra creierului uman, oferind noi metode de înțelegere și tratare a afecțiunilor neuropsihice. Într-o lume în care sănătatea mintală reprezintă o preocupare majoră, aceste studii oferă speranța că, în viitor, vom putea înțelege mai bine cauzele bolilor mentale și vom găsi soluții mai eficiente pentru tratarea acestora.
Studiul a creat un „atlas de tipuri de celule” complet, care servește ca un ghid fundamental pentru înțelegerea diverselor tipuri de celule din creierul acestei insecte. Deși musculița de oțet are aproximativ 130.000 de neuroni (în comparație cu creierul uman, care conține 86 de miliarde de neuroni, și creierul șoarecilor, care are aproximativ 100 de milioane), această hartă completă a conexiunilor neuronale din creierul său oferă o perspectivă crucială asupra modului în care circuitele neuronale controlează comportamente precum controlul motor, memoria și navigarea.
Prin utilizarea microscopiei electronice pentru a obține o imagine detaliată a neuronilor și a sinapselor din creierul musculiței, echipa a identificat și catalogat toate tipurile de celule neuronale. Datele obținute sunt deja folosite de alți cercetători pentru a simula cum creierul musculiței răspunde la stimuli externi, deschizând drumul către înțelegerea funcționării circuitelor cerebrale complexe.
„Dacă dorim să înțelegem cum funcționează creierul, avem nevoie de o înțelegere mecanistică a modului în care neuronii interacționează între ei”, a spus Gregory Jefferis, Ph.D., unul dintre conducătorii studiului. El a subliniat faptul că, deși acest progres reprezintă un pas important, rămâne încă mult de lucru pentru a simula complet funcțiile creierului.
Un aspect remarcabil al studiului este colaborarea internațională din cadrul FlyWire Consortium, care a folosit date și imagini electrono-microscopice pentru a crea această hartă detaliată a creierului unui adult Drosophila. Cercetătorii au identificat aproximativ 50 de milioane de sinapse chimice și au oferit informații despre diverse tipuri de celule, nervi, și predictii despre neurotransmițătorii utilizați de neuroni.
Rezultatele acestei cercetări nu se limitează doar la înțelegerea funcționării creierului musculiței de oțet. Această specie a servit de mult timp ca un model genetic puternic în studiul comportamentului biologic. În timp ce creierul acestei insecte este considerabil mai simplu decât cel al omului sau al altor mamifere, există similarități fundamentale în modul în care circuitele neuronale procesează informația la toate speciile. Acest progres ar putea oferi indicii valoroase pentru a înțelege cum funcționează creierele mai complexe și cum comportamentele sunt reglate de circuite neuronale.
Studiul deschide, de asemenea, calea pentru cercetări viitoare care să vizeze înțelegerea circuitelor cerebrale umane și ale mamiferelor, marcând un pas important spre cartografierea completă a creierului uman.