Die Wissenschaftler erstellten zum ersten Mal ein 3D-Modell des Drosophila-Gehirns


    Schwarzbauchdrosophila (Quelle: geo.ru) Seit

    Hunderten von Jahren untersuchen Wissenschaftler das Nervensystem von Mensch und Tier. In dieser Zeit begann eine Person natürlich, das Funktionsprinzip der einzelnen Nervenzellen und das gesamte System, aus dem sie besteht, viel besser zu verstehen. Aber zu einem vollständigen Verständnis ist es noch weit.

    Die Studie wird nach dem Prinzip „von einfach zu komplex“ durchgeführt: Wenn es nicht möglich ist, sofort zu verstehen, wie beispielsweise das menschliche Gehirn arbeitet, untersuchen Experten das Gehirn von einfacheren Kreaturen. Wissenschaftler der Universität von Tokai haben sich als Untersuchungsobjekt für das Gehirn Drosophila entschieden.

    Das Gehirn selbst eines so kleinen Insekts wie einer Fruchtfliege ist ein sehr komplexes System. Es dauerte lange, bis Wissenschaftler ein dreidimensionales Modell dieses Körpers aufbauen konnten. Jetzt arbeiten Experten mit einer Reihe von Techniken, mit denen Sie die Struktur des Gehirns problemlos untersuchen können. Beispielsweise verwenden Wissenschaftler fluoreszierende Substanzen, die einzelne Neuronen hervorheben. Das Elektronenmikroskop hilft auch bei der Untersuchung des Gehirns und zeigt seine Struktur auf neuronaler Ebene.

    Nachdem die einzelnen Neuronen "zugeordnet" wurden, werden die resultierenden Bilder analysiert, um ein einzelnes System zu erstellen. Das Mapping von Verbindungen zwischen Neuronen und die Konstruktion eines Gehirnmodells ist das Endziel dieser Arbeit. All dies ist notwendig, um zu verstehen, wie alles mit allem verbunden ist und wie alles funktioniert.



    Das dreidimensionale Modell des Gehirns, das mit einem Computer erstellt wurde, zeigt viele neuronale Verbindungen. Ein Team von Wissenschaftlern der Universität Tokai hat unter der Leitung von Ruta Mizutnani eine neue Methode zur Abbildung einer dreidimensionalen Gehirnkarte entwickelt. Zu diesem Zweck wird eine spezielle Substanz verwendet, deren einzelne Moleküle an die Neuronen des Gehirns gebunden sind. Als Nächstes erstellen die Wissenschaftler eine "Skelettkarte" von Molekülen, indem sie das Gehirn mit Röntgenstrahlen bestrahlen. Mit ihrer Methode konnten die Wissenschaftler eine detaillierte dreidimensionale Karte des Netzwerks von Insektenneuronen im Gehirn anfertigen.

    In der Biochemie werden mit einer speziellen Methode 3D-Modelle von komplexen organischen Substanzen erstellt. Um eine "Skelettkarte" des Verbindungsmoleküls zu erstellen, wird Röntgenstrahlung verwendet. Wenn möglich, wird die interessierende Verbindung kristallisiert. Außerdem wird die Röntgenkristallographie verwendet (Röntgenstrukturanalyse). Dies ist die Verwendung von Röntgenstrahlen, um die Molekülstruktur eines Kristalls zu identifizieren. Das Verfahren basiert auf dem Phänomen der Röntgenbeugung - der Röntgenstrahlstreuung durch die Atomstruktur eines Kristalls.

    Diese Methode ist nicht schlecht, aber wenn die Struktur einer Substanz sehr komplex ist, dauert es viel Zeit, ein 3D-Modell eines Substanzmoleküls zu erstellen. Computer wurden in den letzten Jahrzehnten von Wissenschaftlern unterstützt, die die während der Untersuchung einer Substanz gewonnenen Daten analysieren. Computersysteme helfen, die Position eines Atoms im dreidimensionalen Raum zu bestimmen, dann wird die Beziehung zu einem anderen Atom untersucht, dann mit einem weiteren Atom und so weiter. Die Software erstellt nach und nach ein Modell der untersuchten Substanz.

    Mizutani entschied sich für diese Methode und Software, um den Ort und die Form der Neuronen des Drosophila-Gehirns zu bestimmen. Hier gibt es gewisse Schwierigkeiten, eine davon ist, dass Neuronen überhaupt keine Atome sind. Dies sind komplexe Objekte, die auf ungewöhnliche Weise miteinander verbunden werden können.

    Um eine Karte des Gehirns zu erstellen, verwendeten die Wissenschaftler eine Methode, die als Röntgentomographie bezeichnet wurde. Dies ist eine Methode für schichtweise Untersuchungen der Struktur inhomogener Objekte in Röntgenstrahlen, basierend auf der Abhängigkeit des linearen Absorptionskoeffizienten im Röntgenbereich von Zusammensetzung und Dichte der Substanz. Die Wissenschaftler infiltrierten das Gehirn der Fruchtfliege mit Silberfarbe und wurden dann mit Röntgenstrahlen beleuchtet. Ein spezielles System half dabei, die Abweichung der Röntgenstrahlung zu beurteilen. Dies wiederum ermöglichte die Erstellung einer dreidimensionalen Karte von Farbstoffmolekülen, die von Neuronen absorbiert wurden.

    Danach begaben sich die Wissenschaftler in den nächsten Arbeitsschritt und verwendeten diese Daten, um den Ort und die Form von Gehirnneuronen zu beurteilen. Im Zuge der Arbeit an der Erstellung einer Drosophila-Gehirnkarte wurde spezielle Software verwendet. Dadurch konnte sichergestellt werden, dass das System beispielsweise nicht zwei benachbarte Neuronen als eins betrachtet. Die Software kartierte nach und nach die Sehkraft des Gehirns, suchte nach anomalen Daten und überprüfte sie auf Fehler. Das Ergebnis der Software wurde von einem menschlichen Bediener überprüft. Wenn etwas nicht stimmte, korrigierte die Person das Problem.

    Das endgültige Modell zeigt100.000 Neuronen. Das System verfolgte 15.000 Verbindungen zwischen ihnen. Um die Karte zu erstellen, waren laut Wissenschaftlern rund 1.700 Arbeitsstunden erforderlich. Aber das Ergebnis war die Mühe und Zeit wert. 3D-Modell des Gehirns Drosophila ist das erste der Welt. Mit seiner Hilfe war es möglich, im Gehirn eines Insekts bereits bekannte Formationen zu identifizieren sowie Strukturen zu erkennen, von denen die Wissenschaftler nichts wussten.

    Die Arbeit der Japaner ist für die weitere Erforschung des Nervensystems von Tieren und Menschen sehr wichtig. Mit der Zeit hoffen Wissenschaftler, eine Karte des Gehirns komplexerer Organismen zu erstellen.

    Drosophila ist aufgrund seiner zahlreichen Merkmale ein beliebtes Untersuchungsobjekt. Ein Jahr zuvor war das Team von Wissenschaftlern vom Howard Hughes Medical Institute in den USA präsentierte ein interessantes Video, das die Nervenaktivität der Fruchtfliegenlarven deutlich zeigt.



    Die Wissenschaftler untersuchten das Nervensystem der Larven, während sie sich vor und zurück bewegten. Das Video zeigt eine spürbare Signalübertragung vom oberen Teil der Larve zum Unterkörper und zurück. Experten zufolge ist dieses Modell sehr detailliert. Sie schaffte es, mit Hilfe neuer Methoden die neuronale Aktivität des Körpers zu erschießen.



    Um all dies möglich, Philipp Keller ( von Philipp Keller ) und Mischa Ahrens ( Misha Ahrens ) genetisch veränderten Fruchtfliege. Die Modifikation bestand darin, jedes Neuron des Nervensystems dieses Organismus beim Empfangen oder Senden eines Signals fluoreszieren zu lassen. Beim Bewegen wurde ein optisches System verwendet, das es den Fliegen erlaubte, gleichzeitig Bilder von beiden Seiten aufzunehmen.

    Wissenschaftliche Arbeit «Dreidimensionales Netz von Drosophila Gehirn Hemisphäre» wurde veröffentlicht 8. September 2016 (DOI: 10.1016 / j.jsb.2013.08.012).

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