Cientistas compilaram um modelo 3D do cérebro de Drosophila

Drosophila de barriga preta (fonte: geo.ru) Os cientistas

estudam o sistema nervoso de humanos e animais há centenas de anos. É claro que, durante esse período, uma pessoa começou a entender melhor o princípio de operação de células nervosas individuais e todo o sistema em que consiste. Mas para um entendimento completo ainda está longe.

O estudo é conduzido sob o princípio "do simples ao complexo": se não for possível entender imediatamente como o cérebro humano funciona, por exemplo, os especialistas estão estudando o cérebro de criaturas mais simples. Cientistas da Universidade Tokai escolheram o cérebro de Drosophila como objeto de estudo.

O cérebro de um inseto tão pequeno como Drosophila é um sistema muito complexo. Para construir um modelo tridimensional desse órgão, os cientistas levaram muito tempo. Agora, os especialistas estão trabalhando com várias técnicas que permitem estudar a estrutura do cérebro sem problemas. Por exemplo, os cientistas usam substâncias fluorescentes que destacam neurônios individuais. Um microscópio eletrônico também ajuda no estudo do cérebro, mostrando sua estrutura no nível neural.

Depois que os neurônios individuais são "mapeados", as imagens resultantes são analisadas para compor um único sistema. O mapeamento das conexões entre neurônios e a compilação de um modelo cerebral é o objetivo final desse trabalho. Tudo isso é necessário para entender como tudo está conectado com tudo e como tudo funciona.



Um modelo de computador 3D do cérebro mostra muitas conexões neurais. Uma equipe de cientistas da Universidade Tokai, liderada por Ryuta Mizutnani, desenvolveu um novo método para compilar um mapa volumétrico do cérebro. Para isso, é utilizada uma substância especial, cujas moléculas individuais estão ligadas aos neurônios do cérebro. Em seguida, os cientistas criam um "mapa esquelético" de moléculas irradiando o cérebro com raios-x. Usando seu método, os cientistas foram capazes de compilar um mapa volumétrico detalhado da rede de neurônios do cérebro de insetos.

Na bioquímica, um método especial é usado para criar modelos 3D de substâncias orgânicas complexas. Os raios X são usados ​​para criar um "mapa esquelético" de uma molécula composta. Se possível, o composto de interesse para especialistas cristaliza. E então a cristalografia de raios-X (análise de difração de raios-X) é usada. É o uso de raios-X para revelar a estrutura molecular de um cristal. O método é baseado no fenômeno da difração de raios-x - dispersão de um feixe de raios-x pela estrutura atômica do cristal.

Esse método não é ruim, mas se a estrutura da substância é muito complexa, leva muito tempo para compilar um modelo 3D da molécula da substância. Nas últimas décadas, os cientistas foram ajudados por computadores que analisam os dados obtidos durante o estudo de uma substância. Os sistemas de computador ajudam a avaliar a posição de um átomo no espaço tridimensional, depois estudam a relação com outro átomo, depois outro e assim por diante. O software está construindo gradualmente um modelo da substância estudada.

Mizutani decidiu usar esse método e software para determinar a localização e a forma dos neurônios cerebrais de Drosophila. Existem certas dificuldades aqui, uma das quais é que os neurônios não são átomos. Esses são objetos complexos que podem comercializar entre si da maneira mais incomum.

Para construir um mapa do cérebro, os cientistas usaram um método chamado tomografia de raios-x. Este é um método de estudo camada a camada da estrutura de objetos não homogêneos na radiação de raios-x, com base na dependência do coeficiente de absorção linear na faixa de raios-x da composição e densidade da substância. Os cientistas impregnaram o cérebro da mosca da fruta com tinta prateada e depois foram iluminados com radiação de raios-x. Um sistema especial ajudou a avaliar a deflexão dos raios X. E isso, por sua vez, tornou possível criar um mapa tridimensional de moléculas de corante absorvidas pelos neurônios.

Depois disso, os cientistas passaram para a próxima etapa do trabalho, usando esses dados para avaliar a localização e a forma dos neurônios cerebrais. No processo de criação de um mapa cerebral de Drosophila, um software especial foi usado. Tornou possível verificar que o sistema não considera dois neurônios adjacentes como um, por exemplo. O software gradualmente compilou um mapa do cérebro da mosca, procurando dados anormais e verificando se havia erros. O resultado do software foi verificado pelo operador humano. Se algo estivesse errado, a pessoa corrigiu o problema.

O modelo final mostra100.000 neurônios. O sistema rastreou 15.000 links entre eles. A criação do mapa, segundo os cientistas, levou cerca de 1.700 horas-homem. Mas o resultado valeu todo o esforço e tempo. O modelo 3D do cérebro de Drosophila é o primeiro do mundo. Com sua ajuda, foi possível identificar formações já conhecidas no cérebro de um inseto, bem como descobrir estruturas sobre as quais os cientistas não sabiam nada.

O trabalho dos japoneses é muito importante para um estudo mais aprofundado do sistema nervoso de animais e seres humanos. Com o tempo, os cientistas esperam criar um mapa cerebral de organismos mais complexos.

Drosófila, devido a várias características, é um objeto popular para estudo. Um ano antes, uma equipe de cientistas do Instituto Médico Howard Hughes, nos Estados Unidos, apresentou um vídeo interessante, que mostra claramente a atividade nervosa da larva da mosca da fruta de Drosophila.



Os cientistas estudaram o sistema nervoso da larva enquanto avançavam e recuavam. O vídeo mostra a transmissão de sinais da parte superior do corpo da larva para a inferior e vice-versa. Segundo especialistas, este modelo é muito detalhado. Foi criado graças ao uso de novos métodos para registrar a atividade neural do corpo.



Para tornar tudo isso possível, Philipp Keller ( Philipp Keller ) e Misha Ahrens ( Misha Ahrens ) mosca da fruta geneticamente modificada. A modificação foi fazer com que cada neurônio do sistema nervoso desse organismo ficasse fluorescente ao receber ou transmitir um sinal. Ao se mover, foi utilizado um sistema óptico, que permitia que a larva da mosca fosse removida simultaneamente dos dois lados.

O trabalho científico “Rede tridimensional do hemisfério cerebral de Drosophila” foi publicado em 8 de setembro de 2016 (DOI: 10.1016 / j.jsb.2013.08.08.012).

Source: https://habr.com/ru/post/pt397693/