Die Wissenschaftler haben zunächst ein 3D-Modell des Gehirns von Drosophila erstellt

Schwarzbauch-Drosophila (Quelle: geo.ru) Wissenschaftler untersuchen seit

Hunderten von Jahren das Nervensystem von Menschen und Tieren. Während dieser Zeit begann eine Person natürlich, das Funktionsprinzip einzelner Nervenzellen und das gesamte System, aus dem sie besteht, besser zu verstehen. Aber zu einem vollen Verständnis ist es noch weit.

Die Studie basiert auf dem Prinzip "von einfach zu komplex": Wenn es beispielsweise nicht sofort möglich ist, sofort zu verstehen, wie das menschliche Gehirn funktioniert, untersuchen Spezialisten das Gehirn einfacher Kreaturen. Wissenschaftler der Tokai-Universität haben das Gehirn von Drosophila als Untersuchungsobjekt ausgewählt.

Das Gehirn selbst eines so kleinen Insekts wie Drosophila ist ein sehr komplexes System. Die Erstellung eines dreidimensionalen Modells dieses Organs dauerte lange. Jetzt arbeiten Experten mit einer Reihe von Techniken, mit denen sich die Struktur des Gehirns problemlos untersuchen lässt. Zum Beispiel verwenden Wissenschaftler fluoreszierende Substanzen, die einzelne Neuronen hervorheben. Ein Elektronenmikroskop hilft auch bei der Untersuchung des Gehirns und zeigt seine Struktur auf neuronaler Ebene.

Nachdem die einzelnen Neuronen „abgebildet“ wurden, werden die resultierenden Bilder analysiert, um ein einziges System zu bilden. Die Abbildung von Verbindungen zwischen Neuronen und die Erstellung eines Gehirnmodells ist das ultimative Ziel dieser Arbeit. All dies ist notwendig, um zu verstehen, wie alles mit allem verbunden ist und wie alles funktioniert.



Ein 3D-Computermodell des Gehirns zeigt viele neuronale Verbindungen. Ein Team von Wissenschaftlern der Tokai-Universität unter der Leitung von Ryuta Mizutnani hat eine neue Methode zur Erstellung einer volumetrischen Karte des Gehirns entwickelt. Hierzu wird eine spezielle Substanz verwendet, deren einzelne Moleküle an Gehirnneuronen gebunden sind. Als nächstes erstellen Wissenschaftler eine „Skelettkarte“ von Molekülen, indem sie das Gehirn mit Röntgenstrahlen bestrahlen. Mit ihrer Methode konnten Wissenschaftler eine detaillierte volumetrische Karte des Netzwerks von Insektenhirnneuronen erstellen.

In der Biochemie werden mit einer speziellen Methode 3D-Modelle komplexer organischer Substanzen erstellt. Röntgenstrahlen werden verwendet, um eine "Skelettkarte" eines zusammengesetzten Moleküls zu erstellen. Wenn möglich, kristallisiert die für Spezialisten interessante Verbindung. Und dann wird Röntgenkristallographie (Röntgenbeugungsanalyse) verwendet. Dies ist die Verwendung von Röntgenstrahlen, um die molekulare Struktur eines Kristalls aufzudecken. Die Methode basiert auf dem Phänomen der Röntgenbeugung - Streuung eines Röntgenstrahls durch die Atomstruktur des Kristalls.

Diese Methode ist nicht schlecht, aber wenn die Struktur der Substanz sehr komplex ist, dauert es sehr lange, ein 3D-Modell des Moleküls der Substanz zu erstellen. In den letzten Jahrzehnten wurde den Wissenschaftlern von Computern geholfen, die die Daten analysieren, die während der Untersuchung einer Substanz erhalten wurden. Computersysteme helfen dabei, die Position eines Atoms im dreidimensionalen Raum zu bewerten und dann die Beziehung zu einem anderen Atom, dann zu einem anderen usw. zu untersuchen. Die Software erstellt schrittweise ein Modell der untersuchten Substanz.

Mizutani entschied sich, diese Methode und Software zu verwenden, um den Ort und die Form von Drosophila-Gehirnneuronen zu bestimmen. Hier gibt es gewisse Schwierigkeiten, von denen eine darin besteht, dass Neuronen überhaupt keine Atome sind. Dies sind komplexe Objekte, die auf ungewöhnlichste Weise miteinander vermarktet werden können.

Um eine Karte des Gehirns zu erstellen, verwendeten die Wissenschaftler eine Methode namens Röntgentomographie. Dies ist eine Methode zur schichtweisen Untersuchung der Struktur inhomogener Objekte in Röntgenstrahlung, basierend auf der Abhängigkeit des linearen Absorptionskoeffizienten im Röntgenbereich von der Zusammensetzung und Dichte der Substanz. Wissenschaftler imprägnierten das Gehirn der Fruchtfliege mit Silberfarbe und beleuchteten es dann mit Röntgenstrahlung. Ein spezielles System half bei der Bewertung der Ablenkung von Röntgenstrahlen. Dies wiederum ermöglichte es, eine dreidimensionale Karte von Farbstoffmolekülen zu erstellen, die von Neuronen absorbiert werden.

Danach gingen die Wissenschaftler zur nächsten Arbeitsstufe über und verwendeten diese Daten, um die Position und Form von Gehirnneuronen zu bestimmen. Bei der Erstellung einer Drosophila-Gehirnkarte wurde eine spezielle Software verwendet. So konnte überprüft werden, ob das System beispielsweise zwei benachbarte Neuronen nicht als eins betrachtet. Die Software erstellte nach und nach eine Karte des Gehirns der Fliege, suchte nach abnormalen Daten und suchte nach Fehlern. Das Ergebnis der Software wurde vom menschlichen Bediener überprüft. Wenn etwas nicht stimmte, hat die Person das Problem behoben.

Das endgültige Modell zeigt100.000 Neuronen. Das System verfolgte 15.000 Verbindungen zwischen ihnen. Die Erstellung der Karte dauerte nach Angaben von Wissenschaftlern etwa 1.700 Mannstunden. Aber das Ergebnis war die Mühe und Zeit wert. Das 3D-Modell des Gehirns von Drosophila ist das erste der Welt. Mit seiner Hilfe konnten bereits bekannte Formationen im Gehirn eines Insekts identifiziert und Strukturen entdeckt werden, von denen Wissenschaftler nichts wussten.

Die Arbeit der Japaner ist sehr wichtig für die weitere Untersuchung des Nervensystems von Tieren und Menschen. Im Laufe der Zeit hoffen die Wissenschaftler, eine Gehirnkarte komplexerer Organismen zu erstellen.

Drosophila ist aufgrund einer Reihe seiner Merkmale ein beliebtes Untersuchungsobjekt. Ein Jahr zuvor ein Team von Wissenschaftlern vom Howard Hughes Medical Institute in den USA präsentierte ein interessantes Video, das die nervöse Aktivität der Fruchtfliegenlarve von Drosophila deutlich zeigt.



Wissenschaftler untersuchten das Nervensystem der Larve, während sie sich vorwärts und rückwärts bewegten. Das Video zeigt die Übertragung von Signalen vom Oberkörper der Larve zum Unterkörper und umgekehrt. Experten zufolge ist dieses Modell sehr detailliert. Es wurde dank der Verwendung neuer Methoden zur Aufzeichnung der neuronalen Aktivität des Körpers erstellt.



Um all dies zu ermöglichen, haben Philipp Keller ( Philipp Keller ) und Misha Ahrens ( Misha Ahrens ) gentechnisch veränderte Fruchtfliegen. 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, mit dem die Fliegenlarve gleichzeitig von zwei Seiten entfernt werden konnte.

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

Source: https://habr.com/ru/post/de397693/