Hoe MIT de code kraakte die de hersenen en het gedrag van een eenvoudig dier met elkaar verbond

Massachusetts Institute of Technology Onderzoekers modelleren en brengen in kaart hoe neuronen in het kleine brein van C. elegans zijn gedrag coderen, waardoor veel nieuwe inzichten worden onthuld in de kracht en plasticiteit van zijn zenuwstelsel.

Om de complexe relatie tussen hersenactiviteit en gedrag te begrijpen, hadden wetenschappers een manier nodig om deze relatie in kaart te brengen voor alle neuronen in de hele hersenen. Tot nu toe is dit een onoverkomelijke uitdaging gebleken. Maar na het uitvinden van nieuwe technieken en methoden voor dit doel, heeft een team van wetenschappers van het Picauer Institute for Learning and Memory van MIT een nauwkeurige berekening gemaakt van de neuronen in het kleine, controleerbare brein van een bescheiden persoon. C. elegans Een worm, die laat zien hoe zijn hersencellen bijna al zijn basisgedrag coderen, zoals voortbeweging en voeding.

in het journaal cel op 21 augustus Het team presenteerde nieuwe opnames op hersenniveau en een wiskundig model dat nauwkeurig de verschillende manieren voorspelt waarop neuronen het gedrag van de worm vertegenwoordigen. Door dit model specifiek op elke cel toe te passen, produceerde het team een ​​atlas van hoe de meeste cellen coderen en van de circuits waarin de acties van het dier betrokken zijn. Zo onthult de atlas de ‘logica’ achter hoe het wormbrein een verfijnd en flexibel gedragsrepertoire produceert, zelfs als de omgevingsomstandigheden veranderen.

Inzichten uit het onderzoek

“Deze studie biedt een globale kaart van hoe het zenuwstelsel van het dier wordt gereguleerd om gedrag te controleren”, zegt senior auteur Stephen Flavell, universitair hoofddocent bij het Department of Brain and Cognitive Sciences van MIT. “Het laat zien hoeveel van de specifieke ganglia waaruit het zenuwstelsel van een dier bestaat, subtiele gedragskenmerken coderen, en hoe dit afhangt van factoren zoals de recente ervaring van het dier en de huidige toestand.”

Afgestudeerde studenten Jungsoo Kim en Adam Atanas, die dit voorjaar beiden zijn gepromoveerd op onderzoek, zijn de hoofdauteurs van het onderzoek. Ze hebben ook al hun gegevens, modelresultaten en atlas gratis beschikbaar gesteld aan collega-onderzoekers op een website genaamd WormWideWeb.

Een fragment van 2 minuten uit een typische neurologische/gedragsmatige dataset. De blauwe, oranje en groene stippen zijn doelwitten voor tracking, waardoor het team de kop van de worm kon lokaliseren en het dier in het midden kon houden. Een afzonderlijk microscoopbeeld (niet getoond) dat de synchrone activiteit van elke hersencel volgt. Afbeelding tegoed: Flavell Lab/MIT Picware

Geavanceerde technieken en aantekeningen

Om de metingen uit te voeren die nodig zijn om hun model te ontwikkelen, heeft het laboratorium van Flavell een nieuwe microscoop en een nieuw softwaresysteem uitgevonden. Deze opstelling volgt automatisch bijna al het gedrag van de worm (bewegen, eten, slapen, eieren leggen, enz.) en de activiteit van elk neuron in zijn hoofd (de cellen zijn ontworpen om te flitsen wanneer calciumionen zich ophopen). Voor het betrouwbaar onderscheiden en volgen van afzonderlijke neuronen terwijl de worm kronkelt en buigt, is het schrijven van aangepaste software vereist, waarbij gebruik wordt gemaakt van de modernste hulpmiddelen van machinaal leren. Er is aangetoond dat het 99,7 procent nauwkeurig is bij het bemonsteren van de activiteiten van individuele neuronen met een aanzienlijke verbetering in signaal-ruisverhouding vergeleken met eerdere systemen, rapporteren de wetenschappers.

Het team gebruikte het systeem om het gesynchroniseerde gedrag en de neurale gegevens van meer dan zestig wormen vast te leggen terwijl ze rond hun borden liepen en deden wat ze wilden.

Data-analyse onthulde drie nieuwe observaties over neurale activiteit in de worm: neuronen volgen niet alleen gedrag in het huidige moment, maar ook in het recente verleden. Ze passen hun gedragscodes, zoals beweging, aan op basis van een verrassende verscheidenheid aan factoren; En veel neuronen coderen tegelijkertijd veel gedrag.

Hoewel het gedrag van het kronkelen rond een kleine laboratoriumschaal misschien een heel eenvoudige handeling lijkt, zijn neuronen verantwoordelijk voor factoren als snelheid, oriëntatie en of de worm wel of niet eet. In sommige gevallen vertegenwoordigden ze de beweging van een dier in een tijdsbestek van ongeveer een minuut. Door recente bewegingen te coderen, en niet alleen huidige bewegingen, kunnen deze neuronen de worm helpen berekenen hoe zijn acties uit het verleden de huidige resultaten beïnvloeden. Veel neuronen combineren ook gedragsinformatie om complexere manoeuvres uit te voeren. Net zoals een menselijke bestuurder moet onthouden dat hij de auto achteruit moet sturen als hij achteruit rijdt in plaats van vooruit, zo integreerden sommige neuronen in de hersenen van de worm de bewegingsrichting van het dier en de stuurrichting.

Door dit soort patronen van hoe neurale activiteit zich verhoudt tot gedrag zorgvuldig te analyseren, hebben wetenschappers zich ontwikkeld C. elegans Probabilistisch neuraal coderingsmodel. Ingekapseld in één enkele vergelijking legt het model uit hoe elk neuron rekening houdt met verschillende factoren om nauwkeurig te voorspellen of en hoe neurale activiteit gedrag weerspiegelt. Ongeveer 60 procent van de neuronen in de kop van de worm is al verantwoordelijk voor minstens één gedrag.

Bij het aanpassen van het model gebruikte het onderzoeksteam een ​​probabilistische modelleringsaanpak die hen in staat stelde te begrijpen hoe zeker ze waren van elke geschikte modelparameter. Een aanpak die werd ontwikkeld door co-auteur Vikash Mansingka, een hoofdonderzoeker die leiding geeft aan het Probabilistic Computing Project aan het MIT. .

Atlas-constructie

Door een model te creëren dat kon kwantificeren en voorspellen hoe een bepaalde hersencel gedrag zou vertegenwoordigen, verzamelde het onderzoeksteam eerst gegevens van neuronen zonder de specifieke identiteit van de cellen te achterhalen. Maar het belangrijkste doel van het bestuderen van wormen is begrijpen hoe elke cel en circuits bijdragen aan gedrag. Om het vermogen van het model toe te passen op elk van de specifieke neuronen van de worm, die allemaal eerder in kaart waren gebracht, was de volgende stap van het team het correleren van neurale activiteit en gedrag voor elke cel op de kaart. Om dit te doen, moet elk neuron een unieke kleur krijgen, zodat zijn activiteit aan zijn identiteit kan worden gekoppeld. Het team deed dit bij tientallen vrij bewegende dieren en voorzag hen van informatie over hoe bijna alle specifieke neuronen in de kop van de worm verband houden met het gedrag van het dier.

De atlas die uit dit werk voortkwam, onthulde veel inzichten en bracht de neurale circuits die elk diergedrag controleren volledig in kaart. Flavell zei dat deze nieuwe bevindingen een beter inzicht zullen geven in de manier waarop dit gedrag onder controle kan worden gehouden.

“We mochten cirkels rondmaken”, zei hij. “We hopen dat onze collega’s, terwijl ze aspecten van de neuronale circuitfunctie bestuderen, naar deze atlas kunnen verwijzen om een ​​redelijk compleet beeld te krijgen van de belangrijkste betrokken neuronen.”

Neuroplasticiteit

Een ander belangrijk resultaat van het werk van het team was de intrigerende bevinding dat hoewel de meeste neuronen altijd de voorspellingen van het model gehoorzaamden, een kleinere groep neuronen in de hersenen van de worm – ongeveer 30 procent van degenen die gedrag codeerden – in staat was hun gedrag flexibel opnieuw in kaart te brengen. nieuwe rollen. Neuronen in deze groep waren bij alle dieren betrouwbaar vergelijkbaar en waren goed met elkaar verbonden in het synaptische bedradingsschema van de worm.

Theoretisch kunnen deze hernieuwde gebeurtenissen om een ​​aantal redenen plaatsvinden, dus voerde het team meer experimenten uit om te zien of ze ervoor konden zorgen dat neuronen opnieuw in kaart werden gebracht. Terwijl de wormen rond hun platen kronkelden, pasten de onderzoekers een laser-zap toe die de agar rond de kop van de worm verwarmde. De hitte was onschadelijk, maar voldoende om de wormen een tijdje te storen, wat resulteerde in een verandering in de gedragstoestand van het dier die minutenlang duurde. Uit deze opnames kon het team zien dat veel neuronen hun gedragscodering correct opnieuw in kaart brachten toen de dieren van gedrag veranderden.

“Gedragsinformatie wordt rijkelijk uitgedrukt in de hersenen in veel verschillende vormen – met verschillende stemmingen, temporele schalen en niveaus van plasticiteit – die passen bij de specifieke klassen van neuronen in de hersenen. C. elegans neuraal netwerk”, schreven de auteurs.

Referentie: “Representaties op hersenniveau van gedrag dat meerdere tijdschalen en toestanden omvat C. elegansGeschreven door Adam A. Atanas, Jongsu Kim, Xiu Wang, Eric Bueno, McCoy Baker, Dae Kang, Jungyeon Park, Talia S. Kramer, Flossie K. Wan, Saba Pasquillo, Ugur Dag, Elbiniki Kalogeropoulou, Matthew A. Gomez, Casey Estrem, Nita Cohen, Vikash K. Mansingka en Stephen W. Flavell, 21 augustus 2023, hier beschikbaar. cel.
doi: 10.1016/j.cell.2023.07.035

Naast Atanas, Kim, Mansingka en Flavell zijn andere auteurs van het artikel Xu Wang, Eric Bueno, McCoy Baker, Dee Kang, Jeongyeon Park, Talia Kramer, Flossy Wan, Saba Pasquello, Ugur Dag, Ilbeneke Kalogeropoulou, Matthew Gomez , Casey Estrem en Nita Cohen.

Onderzoeksfinancieringsbronnen omvatten Nationale gezondheidsinstitutende National Science Foundation, de McKnight Foundation, de Alfred P. Sloan Foundation, het Picauer Institute for Learning and Memory en de GPP Foundation.