Карта 166 700 нейронов показывает, где расходятся мозги самца и самки мухи

Как генетические различия между полами превращаются в нервные цепи, способные направлять разное поведение? Чтобы изучить вопрос в масштабе всей нервной системы, международный консорциум реконструировал мозг и брюшную нервную цепочку самца плодовой мухи. Получился коннектом — карта нейронов и соединяющих их синапсов. Впервые такая карта охватывает у одного взрослого самца мозг, зрительные доли и структуру, функционально аналогичную спинному мозгу позвоночных.

Исследователи разрезали центральную нервную систему одного самца Drosophila melanogaster на сверхтонкие срезы и снимали каждую поверхность электронным микроскопом. Алгоритмы искусственного интеллекта совместили миллионы изображений и восстановили трехмерную форму клеток; специалисты исправили и аннотировали результат. Работа в Cell включает 166 700 нейронов, 124 миллиона синаптических связей и 11 710 типов клеток, распознаваемых у разных особей. Авторы оценили ручную проверку как эквивалент 44 лет труда.

Затем команда сравнила реконструкцию самца с существующими картами самок. Почти 95% нейронов мозга относятся к типам клеток, общим для обоих полов. Чуть менее 5% клеток самца были специфичны для него или имели половой диморфизм — присутствовали у обоих полов, но отличались формой либо связями; в мозге самки доля была менее 3%. Они распределялись не случайно, а концентрировались в областях высшего порядка, связанных с принятием решений и управлением поведением.

Небольшая доля клеток шире отразилась на проводке. Около 12% нейронов мозга самца показали связанные с полом различия в соединениях, тогда как для мозга самки сообщалось 4%. Многие диморфные нейроны экспрессировали fruitless и doublesex — гены, участвующие в определении пола у мух. Карта показывает, что эти клетки образуют плотно связанные узлы и могут перенаправлять сенсорные сигналы в разные цепи; сама по себе она не доказывает, какое поведение вызывает конкретная связь.

Единая реконструкция мозга и брюшной нервной цепочки меняет круг доступных вопросов. Вместо отдельного участка ученые могут проследить полный путь от зрительного, обонятельного или вкусового входа до двигательных нейронов, управляющих ногами, крыльями и другими структурами. Набор данных открыт по лицензии CC BY для запросов, сравнений и проверки гипотез другими группами.

Коннектом самца — подробный чертеж, а не запись работающей системы. Он указывает возможные участки и связи для экспериментов по ухаживанию, агрессии, питанию и движению. Чтобы установить, как цепи создают поведенческие различия, потребуется регистрировать активность и воздействовать на отдельные нейроны у живых животных, а также повторять сравнения на других особях. Достижение состоит в том, что такая экспериментальная цепочка стала возможна на уровне всей системы.