Celý mozek mušky octomilky zobrazen elektronovým mikroskopem

21 miliónů takovýchto obrázků, které tvoří datovou sadu jediného samičího mozku mušky octomilky, nabízí nebývalý pohled na mozkové buňky a jejich spoje, které jsou základem chování tohoto zvířete. Využitím elektronové mikroskopie v rozsahu celého mozku mohli výzkumníci popsat všechny neuronové vstupy do oblasti, která souvisí s učením, dále přezkoumat, jak těsně jsou neurony v této oblasti seskupeny a identifikovat nový typ buněk.

"Jedná se dosud o největší mozek, který byl celý zobrazen ve vysokém rozlišení," říká Davi Bock z výzkumného střediska Janelia v americkém Ashburn. On a jeho kolegové zveřejnili předběžnou zprávu o svých výsledcích na serveru bioRxiv 22. května 2017.

Dřívější studie s využitím snímků elektronové mikroskopie s dostatečně vysokým rozlišením již odhalily zapojení celého mozku menších organismů, jako je hlístice, či larva mušky octomilky; u větších zvířat to byly některé sekce mozku mouchy či thalamu u kočky. Zobrazení úplného mozku mušky octomilky "je téměř o dva řády vyšší, než byl dosud největší mozek plně zmapovaný v tomto rozlišení, které umožňuje trasovat synaptickou konektivitu," napsali Bock a jeho kolegové v jejich zprávě.

Mozek mušky octomilky má prostorový objem 8 x 10⁷ kubických mikrometrů. Pro představu 100 x 10⁷ kubických mikrometrů má objem kostička o hraně 1 mm. Zobrazování v rozlišení nanometrů je "jako studování oblohy skrze stéblo slámy," říká Bock. "Abyste získali celý obraz musíte stéblo postupně přesouvat po celé obloze."

Bock a jeho kolegové používali specializovaný mikroskop zvaný TEMCA2, který byl vyzdvižen nad podlahu, aby mohl promítat větší obrazy. Ke snímání těchto obrazů vědci použili kamerový systém. S více kamerami a robotikou, která automatizovala manipulaci se vzorkem a proces snímání obrazu, systém dokázal procházet jednotlivé plátky mušího mozku mnohem rychleji než v předchozím nastavení.

"Tato práce naplňuje dlouhotrvající ambici katalogizovat komplexní sítě identifikovaných neuronů v mozku mušky octomilky," říká Ian Meinertzhagen z Univerzity Dalhousie ve východokanadském městě Halifax. "Je to sice stále ještě velmi náročný úkol, díky jeho ucelenosti se však žádná buňka v mozku nemůže schovat, aniž by byla identifikována, jako tomu bylo u všech předchozích přístupů," dodává Meinertzhagen. "To nám poskytuje základ pro analýzu funkce identifikovaných neuronů v neuronové síti, a zejména nám to umožní identifikovat příspěvek každého neuronu k výslednému chování mušky."

Žádná buňka se v mozku nemůže schovat, aniž by byla identifikována, jako tomu bylo u všech předchozích přístupů.

Vydaná zpráva líčí, jak výzkumný tým používal podmnožinu snímků, aby popsal synaptická spojení v houbovitém tělese mušky, což je oblast známá svojí rolí v procesu učení. Studiem kompletní sady čichových vstupů do houbovitého tělesa vědci identifikovali nový typ nervových buněk. Na rozdíl od jiných čichových neuronů, tento nový typ buňky, nazvaný MB-CP2, přijímá vstupy z jiných oblastí mozku mušky, včetně oddílů v Protocerebru zachytávajících projekce z očí a dalších orgánů.

Ryuta Mizutani, výzkumník z Tokaiské univerzity v Tokiu vysvětluje, že neurony MB-CP2 mohou v předchozích studiích chybět, protože ve světelné mikroskopii, kterou bylo houbovité těleso dosud zkoumáno, byly pomocí fluorescenčních sond značeny a vizualizovány pouze určité skupiny neuronů. V nové studii byl mozek mušky zcela obarven uranem a olovem a zdá se, že následná analýza odhalila chybějící neurony, nicméně k určení jejich funkce jsou zapotřebí další studie, dodává Mizutani.

Bockova skupina také zjistila, že neurony související se smyslem pachu byly v kalichu houbovitého tělesa seskupeny těsněji, než bylo pozorováno v předchozích projektech. To vyvolává otázky, zda se tyto neurony u jednotlivých mušek seskupují odlišně.

Dalším krokem je kompletní analýza celého mozku octomilky. "Dokážeme-li titěrnou práci urychlit pomocí počítačových algoritmů a automatizované inteligence, bude to reálné," řekl Mizutani. Zároveň také zmínil možnost aplikování této studie na mozek savců a zejména lidský mozek. "Náš mozek je v porovnání s muškou gigantický," řekl Mizutani. "Aplikace na větší mozek bude velkou výzvou."